RU2657563C1

RU2657563C1 - Device for automatic cleaning of downhole equipment

Info

Publication number: RU2657563C1
Application number: RU2016150088A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Азеев; Нурди Джамалайлович Булчаев
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-06-14

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: device has a body with outlet holes on its both ends. A valve stem, springs, a separator with balls, a supporting washer, a saddle, and a bushing are coaxially arranged inside the body. The basic element of the analogue mechanism projects the saddle which is a shell with grooves cut on the end in the form of bevelled teeth. Sequence of slots alternation of different length in the saddle defines operation program of the entire valve. The device enables to: reverse opening of the valve when flushing without additional pressure rise in the tubing string; increase the number of flow direction modes when conducting downhole operations; realise constant cyclic alternation of hydromechanical and chemical methods of cleaning; combine service operations with the equipment above the valve and simultaneously cleaning of equipment below the valve; automate the cleaning process without pulling out the submersion equipment.

EFFECT: in the proposed valve design, the principle of flow separation in space and time can be used to automate a number intratubal and downhole operations.

8 dwg

Description

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть применено для промывки приема и полости электроцентробежных насосов от твердых взвешенных частиц песка, асфальтосмолистых веществ и солей.The invention relates to the oil industry and can be used to flush the intake and cavity of electric centrifugal pumps from suspended solids of sand, asphalt-resinous substances and salts.

Аналогом изобретения является клапан скважинного центробежного насоса (патент RU 72268 U1, заявл. 26.12.2007, опубл. 10.04.2008), содержащий корпус с внутренней и внешней присоединительными резьбами и закрепленным в нем седлом и размещенный в канале ограничителя осевого перемещения шариковый запорный элемент. Седло клапана снабжено посадочной проточкой под уплотнительное кольцо и зафиксировано относительно корпуса цилиндрической втулкой и шайбой с отверстиями для прохода пластовой жидкости. В верхней части корпуса клапана установлен патрубок с ввинченной в него трубой шламоуловителя, снабженной радиальными отверстиями для прохода пластовой жидкости. Шайба с отверстиями для прохода пластовой жидкости зафиксирована от осевого перемещения относительно корпуса клапана посредством пружинного кольца, а патрубок монтируется в корпусе посредством шпонки с пружинным кольцом. Недостатком устройства является невозможность промывки электрического центробежного насоса при засорении приемной части, а также закачки различных химических реагентов через насос в скважину.An analogue of the invention is a borehole centrifugal pump valve (patent RU 72268 U1, application form. 26.12.2007, publ. 10.04.2008), comprising a housing with internal and external connecting threads and a saddle fixed in it and a ball locking element located in the channel of the axial displacement limiter. The valve seat is equipped with a seating groove under the o-ring and is fixed relative to the housing by a cylindrical sleeve and a washer with holes for the passage of formation fluid. In the upper part of the valve body there is a pipe with a sludge trap screwed into it, equipped with radial holes for the passage of formation fluid. A washer with holes for the passage of formation fluid is fixed from axial movement relative to the valve body by means of a spring ring, and the nozzle is mounted in the body by means of a key with a spring ring. The disadvantage of this device is the inability to flush the electric centrifugal pump with clogging of the receiving part, as well as the injection of various chemicals through the pump into the well.

Также известен являющийся по технической сущности наиболее близким к предлагаемому техническому решению модернизированный обратный клапан (Патент РФ на изобретение №2544930, МПК Е21В 34/06, 2015). В штатном режиме клапан предупреждает излив жидкости из насосно-компрессорной трубы в скважину и раскручивание вала насоса вследствие гидроудара. Предлагаемая модернизация заключается в возможности его плавного открывания в обратном направлении, а так же промывки приема и полости электроцентробежных насосов от твердых взвешенных частиц песка, асфальтосмолистых веществ и солей путем подачи очистного раствора со стороны устья. При этом обратное открывание клапана для промывки осуществляется опусканием груза без дополнительного подъема давления в колонне насосно-компрессорных труб, которое могло бы привести к аварийной ситуации. Однако данный механизм открывания не позволяет вести очистку эффективных наклонных и горизонтальных скважин.Also known is the modernized check valve which is the closest to the proposed technical solution (RF Patent for the invention No. 2544930, IPC ЕВВ 34/06, 2015). In normal mode, the valve prevents the outflow of fluid from the tubing into the well and unwinding of the pump shaft due to water hammer. The proposed modernization consists in the possibility of its smooth opening in the opposite direction, as well as washing the intake and cavity of the electric centrifugal pumps from suspended solids of sand, asphalt-resinous substances and salts by supplying a cleaning solution from the mouth. In this case, the back valve for flushing is opened by lowering the load without additional pressure increase in the tubing string, which could lead to an emergency. However, this opening mechanism does not allow the cleaning of effective deviated and horizontal wells.

Технической проблемой является обеспечение очистки фильтра без дополнительного подъема давления в колонне насосно-компрессорных труб в горизонтальных и наклонных скважинах.The technical problem is to ensure filter cleaning without additional pressure buildup in the tubing string in horizontal and deviated wells.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для автоматизированной очистки внутрискважинного оборудования, включающее корпус с присоединительными резьбами, седло для клапана, закрепленное неподвижно внутри корпуса, шайбу и клапан, выполненный полым с отверстиями, соединяющими доклапанную область насосно-компрессорной трубы с заклапанной, проходящий через центральное отверстие шайбы, пружину и подвижную втулку, которая образует с наружной поверхностью полого штока клапана скользящую пару трения, причем на поверхности штока клапана снаружи установлены уплотнительные кольца из эластичного материала, расположенные по обе стороны отверстий штока клапана, согласно изобретению, отверстия, перпендикулярные оси корпуса штока, продублированы на некотором расстоянии, причем шток размещается коаксиально седлу, проходя через оба его торца, а седло представляет собой обечайку с нарезанными на торце пазами в виде скошенных зубьев различной длины, напротив которых располагается втулка, имеющая скошенные зубья одинаковой длины, в которые упирается сепаратор с шариками, придавливаемый пружиной, при этом другая сторона втулки так же прижата пружиной, работающей на сжатие в полости, образуемой подвижной втулкой и стенкой корпуса.The essence of the invention lies in the fact that a device for automated cleaning of downhole equipment, comprising a housing with connecting threads, a valve seat fixedly mounted inside the housing, a washer and a valve made hollow with holes connecting the pre-valve area of the tubing with the valve passing through the central hole of the washer, the spring and the movable sleeve, which forms a sliding friction pair with the outer surface of the hollow valve stem, moreover, on the surface of the rod and the valve is equipped with o-rings made of elastic material located on both sides of the valve stem openings, according to the invention, the holes perpendicular to the axis of the stem body are duplicated at a certain distance, the stem being coaxial to the seat passing through both ends of the valve, and the seat is a shell with grooves cut at the end in the form of beveled teeth of various lengths, opposite which there is a sleeve having beveled teeth of the same length, in which the separator rests against the ball E, presses the spring, while the other side of the sleeve is pressed against the same spring working in compression in the cavity formed by the movable sleeve and the housing wall.

На фиг. 1 представлена схема трехрежимного клапана в режиме нейтрального положения; на фиг. 2 - рабочий режим; на фиг. 3 - режим очистки; на фиг. 4 - развертка направляющей втулки; на фиг. 5 - седло (фото); на фиг. 6 - седло четырехрежимного очистного аналогового клапана; на фиг. 7 - система автоматической очистки скважины с применением трехрежимного очистного аналогового клапана; на фиг. 8 - алгоритм автоматического регулирования трехрежимного клапана.In FIG. 1 shows a diagram of a three-mode valve in neutral mode; in FIG. 2 - operating mode; in FIG. 3 - cleaning mode; in FIG. 4 - scan guide sleeve; in FIG. 5 - saddle (photo); in FIG. 6 - a saddle of the four-mode cleaning analog valve; in FIG. 7 - a system for automatic well cleaning using a three-mode analog treatment valve; in FIG. 8 is an algorithm for automatically controlling a three-mode valve.

Клапан содержит корпус 2 с выходными отверстиями. Внутри корпуса 2 коаксиально расположены шток клапана 3, с уплотнительными кольцами 10 из эластичного материала, пружины 4, 8, сепаратор 6 с шариками 12, опорная шайба 7, седло 9, а также втулка 5. В качестве основного элемента аналогового механизма выступает седло (фиг. 4, 5), которое представляет собой обечайку с нарезанными на торце пазами в виде скошенных зубьев. Последовательность чередования пазов различной длины в седле определяет программу работы всего клапана.The valve comprises a housing 2 with outlet openings. Inside the housing 2, the valve stem 3 is coaxially located, with O-rings 10 made of elastic material, springs 4, 8, a separator 6 with balls 12, a support washer 7, a seat 9, and a sleeve 5. The seat acts as the main element of the analog mechanism (Fig. . 4, 5), which is a shell with grooves cut at the end in the form of beveled teeth. The sequence of alternating grooves of different lengths in the seat determines the program of operation of the entire valve.

Устройство работает следующим образом. Очистка фильтра 11 на приеме насоса ведется без подъема погружного оборудования на поверхность путем обратной промывки фильтрующего элемента 11 жидкостью из колонны насосно-компрессорных труб. Переход на режим промывки связан с изменением положения штока клапана 3, что достигается путем сброса давления за счет остановки насоса. При этом шток клапана 3 занимает нейтральное положение (фиг. 1), когда его выходные отверстия и отверстия корпуса 2 не совпадают, т.е. течение жидкости заперто. За счет гидростатического давления столба жидкости в скважине шток клапана 3, связанный с ним сепаратором 6 и с шариками 12, упирается в короткие пазы С седла 9 (фиг. 4). В этом положении устройство работает аналогично стандартному обратному клапану.The device operates as follows. The filter 11 is cleaned at the pump inlet without lifting the submersible equipment to the surface by backwashing the filter element 11 with liquid from the tubing string. The transition to the flushing mode is associated with a change in the position of the valve stem 3, which is achieved by relieving the pressure by stopping the pump. In this case, the valve stem 3 is in a neutral position (Fig. 1) when its outlet openings and the openings of the body 2 do not coincide, i.e. fluid flow is locked. Due to the hydrostatic pressure of the liquid column in the well, the valve stem 3, connected to it by the separator 6 and the balls 12, abuts against the short grooves C of the seat 9 (Fig. 4). In this position, the device operates similarly to a standard check valve.

Далее, для перехода в следующий режим, связанный с обратным открытием клапана, нужно либо на короткое время включить погружной центробежный насос, либо произвести опорожнение запертой части жидкости в колонне насосно-компрессорных труб над клапаном, например наземными насосами. В последнем случае взамен откачанной жидкости при необходимости подается очистной состав. Далее, при подаче на шток клапана давления газожидкостной смеси со стороны устья скважины, он, связанный с ним сепаратором 6 с шариками 12, упирается в длинные пазы А седла 9 (фиг. 4), тем самым соединяя выходные отверстия корпуса 2 клапана с выходными отверстиями штока клапана 3 (фиг. 3). В результате начинается переток жидкости под давлением из колонны насосно-компрессорных труб в скважину через полость насоса в фильтр 11. После окончания промывки фильтра 11 производят очередной цикл сброса и подачи давления со стороны вновь включенного погружного насоса. При этом шток клапана 3, под действием напора жидкости упирается во втулку 5 и сжимает пружину 4, тем самым совмещая свои выходные отверстия с отверстиями корпуса (фиг. 2), по которым жидкость течет к устью скважины.Further, in order to switch to the next mode associated with the reverse opening of the valve, you must either turn on the submersible centrifugal pump for a short time or empty the locked part of the liquid in the tubing string above the valve, for example, ground pumps. In the latter case, instead of the pumped-out liquid, if necessary, a treatment composition is supplied. Further, when applying the gas-liquid mixture pressure to the valve stem from the wellhead side, it, connected to it by a separator 6 with balls 12, abuts against the long grooves A of the seat 9 (Fig. 4), thereby connecting the outlet openings of the valve body 2 with the outlet openings valve stem 3 (Fig. 3). As a result, the flow of liquid under pressure from the tubing string into the well through the pump cavity into the filter 11 begins. After the washing of the filter 11 is completed, the next discharge and pressure supply cycle is performed from the side of the newly switched submersible pump. In this case, the valve stem 3, under the action of the pressure of the fluid abuts against the sleeve 5 and compresses the spring 4, thereby combining its outlet openings with the openings of the body (Fig. 2), through which the fluid flows to the wellhead.

На основе описанного выше принципа работы трехрежимного клапана можно разработать множество устройств для решения разнообразных задач нефтегазовой отрасли. Четырехрежимный клапан, приспособленный для подачи потока в обратную строну, способен создавать эффект гидравлической очистки. Его конструктивное отличие от трехрежимного клапана заключается в использовании седла, у которого пазы нарезаны по обоим торцам (фиг. 6). Данное отличие позволяет вести переключение между режимами без специального создания противодавления перед торцами штока клапана за счет короткого включения и выключения насоса, а также увеличить количество режимов направления потоков.Based on the principle of operation of the three-mode valve described above, many devices can be developed to solve various problems of the oil and gas industry. The four-mode valve, adapted to supply flow to the reverse side, is able to create the effect of hydraulic cleaning. Its structural difference from the three-mode valve consists in the use of a seat, in which the grooves are cut at both ends (Fig. 6). This difference allows you to switch between modes without creating a special backpressure in front of the ends of the valve stem due to the short on and off of the pump, as well as increase the number of flow direction modes.

При проектировании длины и очередности размещения пазов на седле следует учитывать особенности эксплуатации скважины, в которой будет установлен клапан с аналоговым механизмом, в том числе аварийные ситуации. Кроме того, для достижения особого эффекта при планировании периодичности режимов очистки и работы оба вида клапанов могут устанавливаться в скважине одновременно в определенной последовательности и количестве. С учетом этого, организацию работы клапанов целесообразно вести с использованием программируемого аппаратного комплекса, предназначенного для периодического включения и выключения наземных и погружных насосов по определенному алгоритму.When designing the length and order of placement of grooves on the saddle, one should take into account the particularities of well operation, in which a valve with an analog mechanism will be installed, including emergency situations. In addition, in order to achieve a special effect when planning the frequency of cleaning and operating modes, both types of valves can be installed in the well simultaneously in a certain sequence and quantity. With this in mind, it is advisable to organize the operation of the valves using a programmable hardware complex designed to periodically turn on and off the ground and submersible pumps according to a certain algorithm.

Пример применения трехрежимного аналогового клапана в системе автоматической очистки скважины представлен на фиг. 7, где блок центробежных секционных насосов 9, подключенных к микропроцессору 15, обеспечивает закачку очистного состава в скважину. Связь наземных насосов 9 с устьем скважины осуществляется посредством задвижки с электроприводом 10, которая также имеет подключение к микропроцессору 15, координирующему действие всей системы. Согласно фиг. 7, система автоматической очистки скважины включает в себя так же фильтр 7, затрубный пакер 2 с датчиком расхода, опору 3 подвески хвостовика, пакер 4 подвесного устройства хвостовика, электродвигатель 5 с гидрозащитой, насос 6, колонну насосно-компрессорных труб 7, обратный клапан 8, задвижку с электроприводом 10, регулируемый штуцер 11, выкидную линию 12, силовой токопроводящий кабель 13, силовой трансформатор 14 и станцию управления 16.An example of the use of a three-mode analog valve in an automatic well cleaning system is shown in FIG. 7, where the block of centrifugal sectional pumps 9 connected to the microprocessor 15 ensures the injection of the treatment composition into the well. The connection of ground pumps 9 with the wellhead is carried out by means of a valve with an electric actuator 10, which also has a connection to a microprocessor 15, coordinating the action of the entire system. According to FIG. 7, the automatic well cleaning system also includes a filter 7, an annular packer 2 with a flow sensor, a liner suspension support 3, a liner suspension packer 4, a hydraulic motor 5, a pump 6, a tubing string 7, a check valve 8 , a valve with an electric actuator 10, an adjustable fitting 11, a flow line 12, a power conductive cable 13, a power transformer 14 and a control station 16.

Процесс регулирования приведен на фиг. 8, где 1-12 - порядковые номера, соответствующие очередности выполнения технологических операций; i - текущее значение числа отключений погружного центробежного насоса; Q - текущая производительность центробежного насоса; Q_н - номинальная производительность центробежного насоса. Микропроцессор выдает команды на устьевой регулируемый штуцер для его открытия и на погружной центробежный насос для его включения. Микропроцессор в ходе работы насоса ведет сравнение его текущей производительности с номинальной, фиксация которой осуществляется датчиком. При изменении текущего значения в меньшую сторону насос выключается, так как микропроцессор интерпретирует это как загрязнение фильтра. При этом микропроцессор фиксирует количество отключений насосного оборудования, приравнивая единице каждое четвертое измерение, в соответствии с количеством режимов аналогового клапана (фиг. 1). В зависимости от того, чему равно число отключений насоса на момент сравнения, микропроцессор принимает решение, либо сколько раз необходимо включить и выключить центробежный насос перед подачей очистного состава по насосно-компрессорной трубе к клапану, либо сразу начать подачу очистного состава. В ходе очистки датчик фиксирует подачу промывочной смеси и сравнивает ее с номинальным значением, соответствующим очищенному фильтру. При восстановлении подачи погружной насос вновь включается и цикл повторяется.The control process is shown in FIG. 8, where 1-12 are serial numbers corresponding to the sequence of technological operations; i is the current value of the number of shutdowns of a submersible centrifugal pump; Q is the current performance of the centrifugal pump; Q _n - nominal capacity of a centrifugal pump. The microprocessor issues commands to the wellhead adjustable fitting to open it and to the submersible centrifugal pump to turn it on. The microprocessor during the operation of the pump compares its current performance with the nominal, which is fixed by the sensor. When the current value is changed to a smaller side, the pump turns off, as the microprocessor interprets this as a dirty filter. At the same time, the microprocessor fixes the number of shutdowns of the pumping equipment, equating to a unit every fourth measurement, in accordance with the number of modes of the analog valve (Fig. 1). Depending on what the number of shutdowns of the pump at the time of comparison is equal to, the microprocessor makes a decision, either how many times it is necessary to turn the centrifugal pump on and off before applying the treatment composition through the tubing to the valve, or immediately start supplying the treatment composition. During cleaning, the sensor detects the flow of the washing mixture and compares it with the nominal value corresponding to the cleaned filter. When the supply is restored, the submersible pump switches back on and the cycle repeats.

Техническим результатом изобретения является возможностьThe technical result of the invention is the ability

- осуществить обратное открывание клапана при промывке без дополнительного подъема давления в колонне насосно-компрессорных труб;- carry out the reverse valve opening during flushing without additional pressure increase in the tubing string;

- увеличить количество режимов направления потоков при внутрискважинных операциях;- increase the number of flow direction modes during downhole operations;

- реализовать постоянное циклическое чередование гидромеханических и химических способов очистки;- implement a constant cyclic alternation of hydromechanical and chemical cleaning methods;

- совместить сервисные операции с оборудованием выше клапана и одновременную очистку оборудования ниже клапана;- combine service operations with equipment above the valve and simultaneous cleaning of equipment below the valve;

- автоматизировать процесс очистки без подъема погружного оборудования.- automate the cleaning process without lifting the submersible equipment.

Используемый в предлагаемой конструкции клапана принцип разделения потоков в пространстве и во времени может быть использован для автоматизации многих внутритрубных и внутрискважинных операций.The principle of separation of flows in space and time used in the proposed valve design can be used to automate many in-pipe and downhole operations.

Claims

Device for automated cleaning of downhole equipment, including a housing with connecting threads, a valve seat fixedly mounted inside the housing, a washer and a valve made hollow with holes connecting the pre-valve area of the tubing to the valve passing through the central hole of the washer, spring and movable a sleeve that forms a sliding friction pair with the outer surface of the hollow valve stem, moreover, a sealing ring is installed on the surface of the valve stem rings of elastic material located on both sides of the valve stem openings, characterized in that the holes perpendicular to the axis of the stem body are duplicated at a certain distance, the stem being coaxial to the seat passing through both ends of the valve, and the seat is a ring with cut into the end face with grooves in the form of beveled teeth of various lengths, opposite which there is a sleeve having beveled teeth of the same length, in which the separator with balls rests, pressed by a spring, while the other the side of the sleeve is also pressed by a spring working in compression in the cavity formed by the movable sleeve and the wall of the housing.