Скважинный электроклапан с электрогидравлическим приводом Российский патент 2024 года по МПК E21B34/06 E21B43/12 F16K31/04 

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, последующего контроля и регулирования притока (закачки) для увеличения нефте- или газоотдачи.

Уровень техники

Из уровня техники известен скважинный электрический клапан для добычи или закачки флюида (US 20190316440 A1, опубл. 17.10.2019). Устройство может работать в агрессивных скважинных условиях и конструктивно состоит из подвижного клапана, электромотора и контроллера, дополнительно устройство может быть оснащено датчиками давления и температуры. Подвижный клапан представляет собой запорный элемент малого сечения, который позволяет осуществлять гидравлическую связь между внутритрубным и затрубным пространством для осуществления контроля и регулирования притока (закачки). Управление устройством осуществляется с поверхности, через электрический кабель, проложенный вдоль ствола скважины. Недостатком устройства являются его конструктивные особенности, т.к. из-за малого диаметра запорного элемента клапан не позволяет работать при больших расходах флюида.

Из уровня техники известен электрический клапан для проведения гидроразрыва пласта (ЕА 202100164 А1, опубл. 30.11.2022). Устройство конструктивно состоит из корпуса электроклапана внутри которого размещен герметичный отсек для электроники и подвижная часть. Корпус электроклапана представляет собой полый цилиндрический корпус с выполненными в нем циркуляционными отверстиями, а подвижная часть представляет собой полый цилиндрический затвор с радиальными отверстиями, который коаксиально размещен во внутренней части корпуса электроклапана и имеет возможность двигаться вдоль оси корпуса электроклапана. Конструкция затворного механизма электроклапана, при котором суммарная площадь боковых отверстий клапана не меньше площади проходного сечения клапана, позволяет осуществлять гидравлическую связь между внутритрубным и затрубным пространством как для гидроразрыва пласта (ГРП), так и для осуществления контроля и регулирования притока (закачки). Подвижная часть электроклапана приводится в действие мотор-редуктором при помощи винтовой пары. Недостатком устройства является низкая надежность электропривода. Из-за особенностей компоновки устройства мотор-редуктор расположен между кожухом клапана и проходным каналом клапана, поэтому на него наложены жесткие геометрические ограничения по диаметру редукторной части, и как следствие мотор-редуктор малого диаметра вынужден преодолевать колоссальные моменты при перемещении затвора, преодолевая усилия до нескольких тон.

Из уровня техники также известен электроклапан (RU 2777043 С1, опубл. 01.08.2022) 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. Недостатком устройства является отсутствие редукторной части между электродвигателем и подвижной гильзой, что накладывает эксплуатационные ограничения на усилие открытия/закрытия клапана.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание нового скважинного электроклапана с электрогидравлическим приводом и с подвижной втулкой-затвором, через которую протекает флюид, который обеспечивает возможность надежной 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. Электроклапан выполнен с возможностью управления потоком флюида между пространством внутри труб и пространством за трубами в месте расположения клапана, содержащий полый цилиндрический корпусе циркуляционными отверстиями, расположенную внутри корпуса подвижную втулку-затвор, выполненную с возможностью линейного перемещения между открытым положением и закрытым положением по сигналу, поступающему по каналу связи, при этом подвижная втулка-затвор непосредственно соединена с поршнем, снабженным пружиной обратного хода, а корпус имеет, по меньшей мере, один герметичный отсек с электрическим линейным приводом, имеющим поршень, гидравлически соединенный с поршнем втулки-затвора, причем отношение площади поперечного сечения поршня втулки-затвора к площади поперечного сечения поршня электрического линейного привода прямо пропорционально отношению силы, требуемой для сдвига подвижной втулки-затвора в открытое положение к силе развиваемой линейным электрическим приводом и обратно пропорционально отношению величины хода подвижной втулки-затвора к величине хода поршня электрического линейного привода.

В частном варианте осуществления изобретения суммарная площадь циркуляционных отверстий корпуса по меньшей мере равна площади поперечного сечения внутреннего пространства втулки-затвора.

В частном варианте осуществления изобретения канал связи представляет собой проводной канал или беспроводной канал.

В частном варианте осуществления изобретения электроклапан дополнительно снабжен датчиками температуры и/или давления и/или состава и/или расхода для осуществления контроля притока флюида в скважину или из скважины или любой их возможной комбинацией.

В частном варианте осуществления изобретения электроклапан выполнен с возможностью реагирования на изменения, предоставляемые, по меньшей мере, одним датчиком.

В частном варианте осуществления изобретения электроклапан дополнительно снабжен, по меньшей мере одним сквозным каналом для транзитных линий управления, расположенным вдоль его оси с сохранением герметичности внутреннего пространства клапана.

В частном варианте осуществления изобретения электроклапан дополнительно имеет посадочное место для фиксации противопесочного фильтра на входе циркуляционных отверстий корпуса.

Отличительной особенностью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей скважинного клапана при одновременном повышении надежности эксплуатации за счет новой конструкции электрогидравлического скважинного клапана, имеющего по меньшей мере один электрический линейный привод, который передает управляющее воздействие на подвижную втулку затвор через гидравлическую жидкость внутри герметичного контура. При выдвижении поршня линейного электрического привода внутри герметичного контура клапана повышается давление гидравлической жидкости, которая начинает оказывать влияние на поршень подвижной втулки-затвора, что приводит к ее смещению и, как следствие, к открытию клапана. Данная конфигурация при этом позволяет гидравлической жидкости выполнять двойную функцию, а именно являться как смазочным материалом для подвижных элементов электроклапана, в частности поршня линейного привода и подвижной втулки-затвора, повышая надежность их эксплуатации, так и средой для передачи давления в системе перемещения.

В новой конфигурации клапана отношение площади поперечного сечения поршня втулки-затвора к площади поперечного сечения поршня электрического линейного привода прямо пропорционально отношению силы, требуемой для сдвига подвижной втулки-затвора в открытое положение к силе развиваемой линейным электрическим приводом и обратно пропорционально отношению величины хода подвижной втулки-затвора к величине хода поршня электрического линейного привода. Данная конфигурация позволяет развивать требуемые усилия на сдвиг подвижной втулки-затвора, при минимальных усилиях, развиваемых электрическим линейным приводом (приводами). При этом широкий диапазон возможных соотношений площадей поперечного сечения и ходов поршней, позволяет подобрать оптимальный коэффициент редукции усилия открытия электрического линейного привода. Как правило, наибольшие усилия на открытие клапана требуется развивать в моменты, когда клапан необходимо открыть при большой разнице давления между затрубным и внутритрубным пространством, или же когда клапан долгое время находится в состоянии покоя, и для сдвига втулки-затвора требуются пиковые усилия. Новая конструкция клапана позволяет открывать подвижную втулку-затвор, не прибегая к выравниванию давления в затрубном и внутритрубном пространствах, обеспечивать гарантированное открытие клапана, даже в случае «закисания» подвижной втулки-затвора, тем самым повышая эксплуатационные возможности и надежность изделия.

Дополнительная возможность перемещения подвижной втулки-затвора 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 изображен клапан электрогидравлический в открытом положении.

На фиг. 2 изображен поперечный разрез клапана, представленного на фиг. 1, по линии В.

На фиг. 3 изображен клапан электрогидравлический в закрытом положении. На фиг. 4 изображен поперечный разрез клапана, представленного на фиг. 3, по линии Г.

На фигурах цифрами обозначены следующие позиции: 1 - корпус электроклапана; 2 - электрический линейный привод, предназначен для управления положением втулки-затвора 4 электроклапана путем создания избыточного давления гидравлической жидкости 8 в кольцевой камере А; 3 - гермоввод, предназначенный для герметичного подключения электрического кабеля к устройству; 4 - подвижная втулка-затвор, объединенная с поршнем 10; 5 - пружина обратного хода, предназначенная для возвращения втулки 4 в положение при котором клапан закрыт; 6 - циркуляционные отверстия корпуса электроклапана; 7 - уплотнения; 8 - гидравлическая жидкость, предназначенная для воздействия на поршень 10 втулки 4 при работе электроприводов 2; 9 - поршень линейного привода; 10 - поршень втулки-затвора; 11 - кабель электрический; 12 - циркуляционные отверстия подвижной втулки-затвора.

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 6, расположенную внутри корпуса подвижную втулку-затвор 4 с отверстиями 12, выполненную с возможностью как полного, так и дискретного (частичного) линейного перемещения между открытым положением и закрытым положением по сигналу, поступающему по каналу связи (Фиг. 1, 3). При этом суммарная площадь циркуляционных отверстий 6 корпуса 1 по меньшей мере равна площади поперечного сечения внутреннего пространства втулки-затвора 4.

Во внутреннем пространстве корпуса 1 клапана расположен по меньшей мере, один герметичный отсек с электрическим линейным приводом 2, имеющим поршень 9. Привод 2 соединен с гермовводом 3, который обеспечивает герметичное подключение электрического кабеля 11 к клапану (фиг. 1, 3). При этом возможна реализация беспроводного канала связи (на чертежах не показано), когда состав электроклапана дополнительно устанавливается батарейка для питания привода 2 и система активации привода 2, основанная, например, на управлении посредством RFID-меток.

Поршень 9 гидравлически соединен с поршнем 10 втулки-затвора 4. Гидравлическое соединение обеспечивается посредством гидравлической жидкости 8, распределение которой при закрытом и открытом положениях клапана подробно изображено на фиг. 1-4. Гидравлическая жидкость 8 является средой для передачи давления при движении поршней 9 и 10 в закрытое, открытое или промежуточные положения клапана. Одновременно с этим гидравлическая жидкость 8 выполняет функции смазочного материала для подвижных элементов электроклапана.

Поршень 10 втулки-затвора 4 снабжен уплотнительными элементами 7 и пружиной обратного хода 5, которая обеспечивает закрытое положение втулки-затвора 4 при отсутствии избыточного давления в Камере А и Камере Б клапана (фиг. 1, 3). Параметры пружины 5, поршней 9 и 10, ход и диаметр самих поршней 9 и 10 подбираются из конкретных условий эксплуатации оборудования в скважине.

Конфигурация корпуса 1 электроклапана позволяет дополнительно иметь датчики температуры и/или давления и/или состава и/или расхода для осуществления контроля притока флюида в скважину или из скважины в любой их возможной комбинации. При этом взаиморасположение и взаимосоединение по меньшей мере одного датчика и клапана выполнены таким образом, что клапан способен своевременно реагировать на сигналы, поступающие от датчика (на чертежах не показано).

Конфигурация корпуса 1 электроклапана позволяет дополнительно иметь сквозной канал для транзитных линий управления (на чертежах не показано), который расположен вдоль оси клапана с сохранением герметичности внутренних отсеков электроклапана, включая тот, что заполнен гидравлической жидкостью 8.

Конфигурация корпуса 1 электроклапана позволяет дополнительно иметь посадочное место для надежной фиксации противопесочного фильтра (на чертежах не показано) на входе циркуляционных отверстий 6 корпуса 1. В режиме контроля притока данный фильтр способен отсекать фракции песка от попадания во внутритрубное пространство электроклапана, что ведет к заметному снижению износа узлов уплотнений 7 подвижной втулки-затвора 4.

Электроклапан на примере реализации, изображенной на фиг. 1-4, работает следующим образом. В закрытом положении электрогидравлического клапана все линейные электрические приводы 2 находятся в положении со втянутыми поршнями 9. При этом в Камере А и Камере Б отсутствует избыточное давление гидравлической жидкости 8, и подвижная втулка-затвор 4 находится в закрытом положении за счет воздействия пружины 5, когда отверстия 6 корпуса 1 разобщены с отверстиями 12 втулки-затвора 4. При поступлении через электрический кабель 11 управляющего сигнала с поверхности на открытие клапана поршни 9 линейных электрических приводов 2 выдвигаются, создавая избыточное давление в Камерах А и Б. Под действием избыточного давления подвижная втулка-затвор 4 перемещается в открытое положение, передавливая пружину 5, а гидравлическая жидкость 8 перетекает из Камеры Б в Камеру А. В открытом положении отверстия 6 корпуса 1 полностью (фиг. 3) или частично (на чертежах не показано) совмещены с отверстиями 12 втулки-затвора 4. При поступлении через электрический кабель 11 управляющего сигнала с поверхности на закрытие клапана поршни 9 линейных электрических приводов 2 втягиваются в исходное положение, при этом избыточное давление в Камерах А и Б снимается, и система возвращается в исходное положение.

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, в частности к скважинным электроклапанам для проведения работ по глушению, освоению, промывке, гидроразрыву продуктивного пласта, последующего контроля и регулирования притока или закачки для увеличения нефтегазоотдачи. 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 (1) с циркуляционными отверстиями (6), расположенную внутри корпуса подвижную втулку-затвор (4), выполненную с возможностью линейного перемещения между открытым положением и закрытым положением по сигналу, поступающему по каналу связи. Подвижная втулка-затвор (4) непосредственно соединена с поршнем (10), снабженным пружиной обратного хода (5). Корпус (1) имеет по меньшей мере один герметичный отсек с электрическим линейным приводом (2), имеющим поршень (9), гидравлически соединенный с поршнем (10) втулки-затвора (4). Отношение площади поперечного сечения поршня (10) втулки-затвора к площади поперечного сечения поршня (9) электрического линейного привода (2) прямо пропорционально отношению силы, требуемой для сдвига подвижной втулки-затвора (4) в открытое положение к силе, развиваемой линейным электрическим приводом (2), и обратно пропорционально отношению величины хода подвижной втулки-затвора (4) к величине хода поршня (9) электрического линейного привода. Достигается технический результат – повышение надежности работы электроклапана. 6 з.п. ф-лы, 4 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 (1) с циркуляционными отверстиями (6), расположенную внутри корпуса подвижную втулку-затвор (4), выполненную с возможностью линейного перемещения между открытым положением и закрытым положением по сигналу, поступающему по каналу связи, при этом подвижная втулка-затвор (4) непосредственно соединена с поршнем (10), снабженным пружиной обратного хода (5), а корпус (1) имеет по меньшей мере один герметичный отсек с электрическим линейным приводом (2), имеющим поршень (9), гидравлически соединенный с поршнем (10) втулки-затвора (4), причем отношение площади поперечного сечения поршня (10) втулки-затвора к площади поперечного сечения поршня (9) электрического линейного привода (2) прямо пропорционально отношению силы, требуемой для сдвига подвижной втулки-затвора (4) в открытое положение к силе, развиваемой линейным электрическим приводом (2), и обратно пропорционально отношению величины хода подвижной втулки-затвора (4) к величине хода поршня (9) электрического линейного привода.

2. Электроклапан по п. 1, в котором суммарная площадь циркуляционных отверстий корпуса по меньшей мере равна площади поперечного сечения внутреннего пространства втулки-затвора.

3. Электроклапан по п. 1, в котором канал связи представляет собой проводной канал или беспроводной канал.

4. Электроклапан по п. 1, который дополнительно снабжен датчиками температуры и/или давления и/или состава и/или расхода для осуществления контроля притока флюида в скважину или из скважины или любой их возможной комбинацией.

5. Электроклапан по пп. 1 и 5, который выполнен с возможностью реагирования на изменения, предоставляемые по меньшей мере одним датчиком.

6. Электроклапан по п. 1, который дополнительно снабжен по меньшей мере одним сквозным каналом для транзитных линий управления, расположенным вдоль его оси с сохранением герметичности внутреннего пространства клапана.

7. Электроклапан по п. 1, который дополнительно имеет посадочное место для фиксации противопесочного фильтра на входе циркуляционных отверстий корпуса.