Устройство для регулирования режима работы скважины Советский патент 1993 года по МПК E21B34/06 

Изобретение относится к нефтегазодо- бывающей промышленности, в частности, к технике добычи нефти и может быть применено для запуска скважин и автоматического регулирования их режимов работы,

Известно устройство, сод е ржа идее, корпус, зарядки, уплотнительные элементы, сильфон с демпфером, шток и затвор. В известном устройстве демпфирующий узел

сильфона выполнен в виде втулки с осевым каналом, установленный в верхней части внутри штока. Здесь демпфирование, то есть снижение динамических нагрузок на сильфон, происходит следующим образом. С момента открытия клапана сильфон со штоком перемещается вверх под действием на его площадь давления среды. При этом демпфирующая жидкость из полости перетекает в камеру азота через осевой демпфирующий канал втулки, за счет чего создается дополнительное сопротивление перемещению штока, вследствие чего уменьшается сила ударов на сильфон. Недостатками из- вестного демпфирующего узла являются следующие: проходное сечение осевого демпфирующего канала постоянно, то есть его величина не изменяется в зависимости от перемещения с;ильфона со штоком, из-за че- -.гр динамические нагрузки на сильфон в полной мере не исключаются, а это особенно отрицательно сказывается на работе силь- фона при более сжатом его состоянии; при полном открытии устройства полость де- мпфирующей жидкости не изолируется от камеры азота, вследствие чего с увеличением давления в среде во внешней полости сильфона, прижимается его боковая поверхность и продолжает перетекать де- мпфирующая жидкость из полости в камеру азота, и создает дополнительную динамическую нагрузку на сильфон, а это снижает надежность его работы,

Также, известно устройство, включаю- щее полый корпус с входными и выходными каналами, седло, установленное в нижней части корпуса; шток с затвором; сильфон, верхним своим концом жестко связанный с корпусом, а нижний - со штоком, образую- щий с корпусом герметичную камеру для сжатого газа, частично заполненную вязкой жидкостью; узел демпфирования, выпол- ненный в виде дополнительного седла с проходным отверстием, размещенного в герметичной камере, разделяющего ее на две полости; дополнительного затвора в виде шара, установленного с возможностью полного перекрытия проходного отверстия в крайнем верхнем положении штока и свя- занной с седлом направляющей, выполненной в виде цилиндра с боковыми отверстиями, установленного- концентрич- но на штоке. Это устройство имеет следующие недостатки: шар в сильфонной камере размещен свободно, что не исключает преждевременной его посадки в седло (например, при возникновении мгновенного удара на шар через шток произойдет преждевременное закрытие проходного сечения седла с подъемом шара; вследствие этого сильфонная камера, заполненная демпфирующей жидкостью герметично закроется, что и ограничит ход затвора вверх, то есть уменьшит пропускную способность клала- на, а также не исключена возможность гидравлического удара, приводящего к порыву ; сильфона); проходные сечения канала в сильфонной камере в зависимости от хода штока вверх не изменяется из-за чего растет

динамическая нагрузка на сильфон при импульсном перемещении затвора вверх, что в свою очередь приводит к снижению срока службы сильфонного элемента.

Известные устройства, кроме названных, имеют следующие недостатки: наружная поверхность сильфона при эксплуатации скважины находится в контакте с рабочей средой, вследствие чего происходит ее засорение, коррозия и пр., не позволяет регулировать давления в потоке жидкости на уровне устройства, а значит и на забое скважины при изменении давления в системе скважины, поскольку его пропускное сече-, ние не изменяется.

Целью изобретения является повышение эффективности работы устройства при одновременном повышении надежности его работы. Эффект от применения устройства при запуске и эксплуатации скважины (в частности, газлифтных) получается за счет уменьшения общее количество канатных работ за счет сокращения порывов сильфонов и увеличения отбора нефти из-за сокращения ремонтных работ и поддержания заданного оптимального (рационального) забойного давления, а также от снижения требования к материалу сильфона, а значит и уменьшения стоимости устройства. Ожидаемый удельный экономический эффект составит на одну скважину не менее б тыс. руб.

Указанная цель достигается следующими техническими решениями,

Устройство снабжено поршневым кольцом, установленным концентричнр на штоке с возможностью осевого перемещения относительного него и разделяющим полость корпуса под сильфоном на две гидравлически не связанные между собой части, верхняя из которых заполнена вязкой жидкостью. Этот признак позволяет изолировать наружную поверхность сильфона, контактирующую с вязкой жидкостью от рабочей среды, за счет чего исключается его загрязнение, коррозия и пр. Причем давления под и над поршневым кольцом равны между собой, так как оно является подвижным.

Отверстия в направляющей выполнены в виде продольных прорезей, суммарная площадь которых, не больше площади сечения проходного отверстия дополнительного седла, а дополнительный затвор установлен на штоке с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно него, и выполнен в виде плунжера, при этом шток с дополнительным затвором установлены с возможностью осевого перемещения относительно направляющей и плавного перекрытия ее продольных прорезей. За счет этого штуцирование демпфирующей (вязкой) жидкости происходит в продольных прорезях при любом перемещении плунжера в цилиндре (в противном случае, штуци- рование жидкости при перемещении плунжера в цилиндре без выполнения данного условия, происходило бы наоборот в верхнем минимальном сечении седле, а это противоречит принципу работы заявляемо- то демпфирующего узла). В целом это решение исключает динамические нагрузки на сильфон, так как сопротивление при перете- кании демпфирующей жидкости из полости в кзмеру азота растет в зависимости от хода штока, а при крайнем верхнем положении штока перекрывается полностью сечение прорезей на кожухе с увеличением давления во внешней полости сильфона. То есть, полость демпфирующей жидкости изолиру- ется от камеры азота, за счет чего давление, действующее на внутреннюю и внешнюю поверхность сильфона, выравнивается, так как демпфирующая жидкость практически является несжимаемой.

Затвор выполнен в виде поршня со сферическими верхней и нижней поверхностями, и каналами, гидравлически свя- зывающими входной канал корпуса с пространством над поршнем. Этот признак позволяет: изготавливать поршень из шара срезая его боковые сегменты, что повышает герметичность затвора при закрытом со- стойнии устройства; исключает засорение мехпримесями, солями и пр.; позволяет ча- стичИо открыть или перекрыть проходное сечейие продольных каналов цилиндра при изменении давления в скважине; обеспечивает сообщение внутренней полости корпуса с внешней полостью входных каналов при Любом положений штока.

На фиг. 1 изображено устройство для регулирования режима работы скважины, общий вид; на фиг. 2 - изменение сопротивления демпфирующего устройства при пе- ремещении затвора вверх.

Устройство состоит из полого корпуса 1 с входными 2 и выходными 3 каналами (например, в виде продольных прорезей), уп- лотниТельных элементов 4 и узла зарядки 5. Внутри корпуса 1 размещен сильфон б, жестко связанный со штоком 7, образующий с корпусом 1 полость 8, заполненную вязкой (демпфирующей) жидкостью и камеру 9 для сжатой азота. Сильфон 6 взаимосвязан че- рез исток 7 с узлом демпфирования, состоящий из направляющего 10с отверстиями в виде продольных прорезей 11 и дополнительно затвор в виде плунжера 12, который неразъемно соединен с верхним торцом

штока 7, причем внутри направляющего 10 имеется седло 13, которое ограничивает верхнее положение плунжера 12, На шток 7 насажено поршневое кольцо 14 с наружным 15 и внутренним 16 уплотнительными кольцами, которое сверху образует с корпусом 1 полость 17, заполненная вязкой (буферной) жидкостью, а снизу полость 18 связанная с рабочей средой (газ). Основной затвор в виде поршня 19 со сферическими верхней и нижней поверхностями жестко связанный со штоком 7 и размещен в седле 20 с входными каналами в виде продольных прорезей 21. Поршень имеет каналы 22, соединяющие его боковую поверхность с верхним сферическим основанием, причем нижнее сферическое основание поршня 19 при закрытом состоянии устройства герметично сидит в канале 23 седла 20. Диаметр поршня 19 и наружный диаметр поршневого кольца 14 равны эффективному диаметру сильфона 6. Это исключает действие давления рабочей среды (газа) на поперечную площадь сильфона через входные каналы 21 при любом положении поршня 19. То есть, здесь на полную поперечную (эффективную) площадь сильфона действует давление в потоке жидкости через поршень 19 и шток 7, что дает возможность автоматически регулировать заданное оптимальное (рациональное) давление в скважине.

Перед спуском устройства в скважину камера 9 заряжается азотом через узел зарядки 5 до расчетного давления. Это давление определяется из уравнения баланса сил, действующих неэффективную площадь сильфона 6, то есть;

Рп х Зз Рс х Sc + F, где РП - давление потока жидкости;

5э - поперечная площадь поршня 21;

(lc) - давление азота в камере 9;

Sc - эффективная, то есть средняя поперечная площадь сильфона,

(dtc/dt), I (с)-сила сопротивления, возникающая при перемещении сильфона вверх (при определении давления зарядка, это сила принимается равная нулю, т.е. расчет ведется для закрытого устройства в статическом состоянии);

Ic - ход сильфона;

t - время перемещения сильфона.

Сопротивление F возникает при открытии клапана, причем его значение зависит не только от величины 1С, но и от темпа его изменения во времени dlc/dt, то есть от скорости перемещения сильфона (затвора) вверх. Другими словами эти сопротивления F (Ic) возникает за счет жесткости сильфона и изменения объема газа в сильфонной камере в зависимости от хода штока, а сопротивления F(dlc/dt) возникает только во время перемещения штока, за счет переменной скорости нагрузки сильфона, возникающей из-за изменения пропускного сечения прорезей 11. То есть сила F(d1c/dt) возникает дополнительно только в период движения затвора вверх (это повышает надежность сильфонного элемента, т.к. основная нагрузка на него действует в момент мгновенного движения), причем его значение -равно нулю при статическом состоянии затвора 19.

Плунжер 12 демпфирующего узла имеет возможность перемещения относительно штока 7, что позволяет обеспечить полное и герметичное закрытие камеры 8 при открытом состоянии клапана за счет перемещения плунжера 12 вверх до упора в седле 13 (без уменьшения объема камеры 8) при статическом состоянии штока 7, то есть за счет возникновения мгновенного перепада давления в камерах 8 и 9, в случае сжатия боковой поверхности сильфона 6 при возникновении высокого давления за его наружной окружностью. Тем самым, полностью исключается переток жидкости с ниж- лей камеры в верхнюю, что в свою очередь обеспечивает постоянное давление на внутреннюю и наружную поверхности сильфона независимо от значения давления в рабочей среде и повышает надежность сильфонного элемента,

Устройство работает следующим образом.

Давление потока жидкости действует снизу на эффективную площадь сильфона 6 через поперечную площадь поршня 19 затвора. А рабочая среда (например, газ) поступая в полость 18 через каналы 22 действует на площадь поршневого кольца. 14, а также на площадь верхнего основания поршня 19 затвора. При этом перемещения сильфона 6 от давления рабочей среды не происходит, поскольку силы/направленные вверх и вниз компенсируются между собой. Поэтому перемещение сильфона 6 со штоком 7 и поршня 19 затвора происходит толь; ко под действием давления потока жидкости на эффективную площадь сильфона 6. При открытии устройства рабочая среда проходя через входные 2 и выходные 3 каналы поступает в подъемник и совершает полезную работу.

Это устройство в работе регулирует давление в потоке жидкости и на забое скважины за счет автоматического изменения пропускной способности и обеспечения штуци- рования рабочей среды в продольных прорезях 21. Это происходит за счет дополнительного открытия или, наоборот, перекрытия проходного сечения продольных прорезей 21 с перемещением поршня 19 затвора в корпус 1 при изменении давления в скважине.

Здесь демпфирующий узел работает следующим образом. При перемещении сильфона 6 со штоком 7 и плунжером 12 давление в полости 8 растет и часть демпфирующей-жидкости перетекает из полости 8

в камеру 9 через продольные прорези 11, причем при любом перемещении штока 7 штуцирование демпфирующей жидкости происходит в прорезях 11. С момента движения плунжера 12 в цилиндре 10 происходит.перекрытие сечения прорезей 11, вследствие чего растет сила сопротивления, действующая на перемещение сильфона 6. При полном открытии клапана, если увеличивается давление рабочей среды во внешней полости сильфона 6, то плунжер 12 приподнимается и упираясь в седло 13 направляющего 10 полностью перекрывает проходные каналы прорезей 11 (здесь плунжер 12 выполняет функцию обратного клапана). При этом полость демпфирующей . жидкости 8 гидравлически изолируется от камеры азота 9 и давления, действующие на внешнюю и внутреннюю поверхности сильфона 6, выравниваются. Таким образом,

практически исключается динамическая нагрузка (напряжение) на сильфон, поскольку при более сжатом состоянии его сила сопротивления сильно растет, а величина механического удара при перемещении еильфона

наоборот резко уменьшается.

На фиг. 2 приводится графическая иллюстрация зависимости (dlc/dt) для заявленного устройства (линия 1) и прототипа (линия 2). При этом площадь проходного сечения осевого демпфирующего канала является постоянной в прототипе, для примера примем равной площадь проходного сечения в продольных прорезях 11 направляющего 10 (заявляемое решение) в нижнем

состоянии плунжера 12. Как видно для заявляемого устройства сила сопротивления с момента перемещения сильфона вверх становится больше, причем при более сжатом состоянии сильфона его величина значительно больше по сравнению с прототипом.

Формула изобретения . Устройство для регулирования режима работы скважины, включающее полый корпус с входными и выходными каналами, установленное в нижней части корпуса седло, размещенный концентрично в полости корпуса шток с затвором на нижнем конце, сильфон, верхним своим концом жестко связанный с корпусом, а нижним - со штоком, образующий с корпусом герметичную камеру для сжатого газа, частично заполненную вязкой жидкостью и узел демпфирования, выполненный в виде дополнительного седла с проходным отверстием, размещенного в герметичной камере, разделяющего ее на две полости, дополнительного затвора, установленного.с возможностью полного перекрытия проходного отверстия в крайнем верхнем положении штока, и связанной с седлом направляющей, выполненной в виде цилиндра с боковыми отверстиями, установленного концентрично на штоке, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности в работе устройства, оно

снабжено поршневым кольцом, установленным концентрично на штоке с возможностью осевого перемещения относительно него и разделяющим полость корпуса под сильфоном на две гидравлически не связанные между собой части, верхняя из которых заполнена вязкой жидкостью, причем отверстия в направляющей выполнены в виде продольных прорезей, суммарная площадь которых не больше площади сечения проходного отверстия дополнительного седла, а дополнительный затвор установлен на штоке с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно него и выполнен в виде плунжера, при этом шток с дополнительным затвором установлен с возможностью осевого перемещения относительно направляющей и плавного перекрытия ее продольных прорезей, а затвор выполнен в виде поршня со сферическими верхней и нижней поверхностями и каналами, гидравлически связывающими входной канал корпуса с пространством над поршнем.

Изобретение относится к нефтегаэодо- бывйющей промышленности и может быть использовано для запуска скважин и автоматического регулирования режимов их работы. Сущность изобретения: устройство включает полый корпус с входными и выходными каналами. В нижней части корпуса установлено седло. В полости корпуса раз- мещфн шток с затвором на нижнем конце. Со штоком жестко связан сильфон, верхним своим концом жестко связанный с корпусом и образующий с ним герметичную камеру, частично заполненную вязкой жидкостью, В сильфонной камере размещен узел демпфирования. Узел демпфирования выполнен в виде дополнительного седла, с проходным отверстием, размещенного в герметичной камере, разделяющего ее на две полости, дополнительного затвора,установленного с возможностью полного перекрытия проходного отверстия в крайнем верхнем поло- жении штока, и связанной с седлом направляющей, выполненной в виде цилиндра с боковыми отверстиями, установленного концентрично на штоке. Устройство снабжено поршневым кольцом, установленным концентрично на штоке с возможностью осевого перемещения относительно него и разделяющим полость корпуса под сильфоном на две гидравлически не связанные между собой части, верхняя из которых заполнена вязкой жидкостью. Отверстия в направляющей выполнены в виде продольных прорезей, суммарная площадь которых не больше площади сечения проходного отверстия дополнительного седла, а дополнительный затвор установлен на штоке с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно него и выполнен в виде плунжера, Затвор выполнен в виде поршня со сферической верхней и нижней поверхностями и каналами, гидравлически связывающими входной канал с пространством над затвором. 2 ил.. СО с 4J о ел о 00 о

Фиг. Z