RU2780189C1

RU2780189C1 - Valve control device and method for controlling flow in a well

Info

Publication number: RU2780189C1
Application number: RU2022104078A
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Павлов
Original assignee: Андрей Александрович Павлов
Filing date: 2022-02-15
Publication date: 2022-09-20

Abstract

FIELD: downhole hydrocarbons production.

SUBSTANCE: invention relates to the production of downhole hydrocarbons, and specifically to control processes in simultaneous-separate production and simultaneous-separate injection. The valve control device comprises a housing mounted on a coupling or sub or inside the outer housing, with inlet and outlet openings. The valve includes a chamber with a separating piston connected to the ballast chamber through a locking device. The locking device consists of a pressure regulator and a hydraulic relay. The device contains the first separating piston, made with the possibility of moving only in one direction - towards the ballast chamber, due to the excess pressure of the well fluid passing through the inlet holes, and due to the zero pressure of the ballast chamber. The control device for a valve, or a throttle, or a gate valve, located in the outer housing or coupling and fixed on the second separating piston, includes the first chamber formed by the body and the second separating piston, inside which the first separating piston with a rod is installed, and connected to the ballast chamber through the first locking device. Additionally, the first locking device contains a dosing chamber and a second hydraulic relay. The rod communicates with the second chamber formed by the body and the rod and connected by means of the second locking device to the ballast chamber. The ballast chamber contains a power supply, control and communication unit, made with the possibility of autonomous power supply of the valve control device. A method for controlling flow in a well is claimed, including a valve control device.

EFFECT: use of reservoir pressure energy to control the valve and control the flow in the well.

2 cl, 7 dwg

Description

Известен патент РФ №2620700, описывающий скважинный управляемый электромеханический клапан, содержащий микроэдектродвигатель, редуктор, винтопару с гайкой, шарикоподшипники, кабель для управления, полый шток, на который установлен подвижный дифференциальный поршень, выравнивающий скважинное и пластовое давления. Известен патент РФ №2645311, описывающий скважинный управляемый электромеханический клапан, содержащий микроэлектродвигатель, редуктор, винтопару с гайкой, шарикоподшипники, кабель для управления, полый шток на который установлена штуцерная трубка. Известен патент РФ №2706083, описывающий скважинный управляемый электромеханический клапан, содержащий микроэлектродвигатель, редуктор, винтопару с гайкой, шарикоподшипники, кабель для управления, клапан в виде поршня внутри наружного корпуса, перекрывающий поток жидкости через отверстия, выполненные в нем. Известен патент РФ №2761913, описывающий скважинный клапан с управляемым электроприводом, содержащий микроэлектродвигатель, редуктор, винтопару с гайкой, шарикоподшипники, кабель для управления, установленный снаружи корпуса датчик состава флюида. Известен патент РФ №2569390, описывающий скважинную установку с системой контроля и управления эксплуатации месторождений, содержащее регулирующее устройство, выполненное в виде клапана, приводимого в движение электродвигателем.RF patent No. 2620700 is known, which describes a downhole controlled electromechanical valve containing a microelectric motor, a gearbox, a propeller pair with a nut, ball bearings, a control cable, a hollow rod, on which a movable differential piston is installed, equalizing the downhole and formation pressure. Known RF patent No. 2645311, which describes a downhole controlled electromechanical valve containing a microelectric motor, a gearbox, a propeller pair with a nut, ball bearings, a control cable, a hollow stem on which a choke tube is installed. RF patent No. 2706083 is known, which describes a downhole controlled electromechanical valve containing a microelectric motor, a gearbox, a propeller pair with a nut, ball bearings, a control cable, a valve in the form of a piston inside the outer housing, shutting off the fluid flow through the holes made in it. Known RF patent No. 2761913, describing a downhole valve with a controlled electric drive, containing a microelectric motor, a gearbox, a propeller pair with a nut, ball bearings, a control cable, a fluid composition sensor installed outside the housing. Known RF patent No. 2569390, describing a downhole installation with a system for monitoring and controlling the operation of deposits, containing a control device made in the form of a valve driven by an electric motor.

Указанные выше патенты предусматривают питание от нулевой точки электродвигателя скважинного насоса или геофизического кабеля и представляют собой массивные конструкции около 50 кг. Применение геофизических кабелей в процессе добычи(закачки) имеет ограничение. К примеру при использовании струйного насоса диаметром 108 мм в обсадной колонне с внутренним диаметром 122 мм и естественным изгибом ствола скважины в доли градусов оставляет мало шансов на нормальную работу геофизического кабеля. Дополнительно к этому влияние коррозии до 1 метра в год вообще сводит к нулю возможность применения геофизических кабелей при добыче(закачке).The above patents provide power from the zero point of the electric motor of the downhole pump or geophysical cable and are massive structures of about 50 kg. The use of geophysical cables in the production (injection) process is limited. For example, when using a jet pump with a diameter of 108 mm in a casing string with an internal diameter of 122 mm and a natural bend of the wellbore in fractions of degrees, there is little chance for the normal operation of the geophysical cable. In addition to this, the effect of corrosion up to 1 meter per year generally nullifies the possibility of using geophysical cables during production (injection).

Известен патент РФ №2475643, описывающий «Способ и устройство для контроля управления процессом одновременно-раздельной эксплуатации многопластовых обсаженных скважин(варианты) и исполнительный модуль в составе устройства(варианты)», содержащий клапан регулирования подачи (отбора) текучей среды, управляемый шаговым микродвигателем, блок автономного питания, при этом управление осуществляется по сигналам с поверхности земли. Идея автономности, предложенная в данном патенте очень привлекательна, но реализация с применение электродвигателя или микродвигателем или микроэлектродвигателем выливается в серьезный опорный подшипниковый узел, который должен выдерживать осевую нагрузку в несколько тонн в зависимости от диаметра оси, выходящей за пределы корпуса устройства. Указанное усилие распространяется на винтопару с гайкой. Есть варианты изготовления таких винтопар, включая применения дополнительных шаров. Это сложные и затратные устройства. Кроме того регулярно необходимо менять смазку. Стоимость обслуживания подобных электроприводов судя по всему должна быть высокой.Known RF patent No. 2475643, describing "Method and device for controlling the process control of the simultaneous-separate operation of multilayer cased wells (options) and an executive module as part of the device (options)", containing a valve for regulating the supply (bleeding) of a fluid controlled by a stepper micromotor, self-contained power supply, while the control is carried out by signals from the surface of the earth. The idea of autonomy proposed in this patent is very attractive, but the implementation using an electric motor or a micromotor or a micromotor results in a serious support bearing assembly that must withstand an axial load of several tons, depending on the diameter of the axis that extends beyond the body of the device. The specified force applies to the screw pair with the nut. There are options for manufacturing such propellers, including the use of additional balls. These are complex and costly devices. In addition, the lubricant must be changed regularly. The cost of maintaining such electric drives seems to be high.

Известен патент РФ №2633598, описывающий автономное устройство для регулирования потока в скважине, содержащий средства входа, выхода среды и гидравлического сопротивления, установленного между ними, способного менять своих характеристики под действием окружающей среды либо с помощью сигнала.Known RF patent No. 2633598, describing an autonomous device for regulating the flow in the well, containing the means of entry, exit of the medium and hydraulic resistance installed between them, capable of changing its characteristics under the influence of the environment or with the help of a signal.

Цель изобретения состоит в использовании энергии пластового давления экономически выгодными методами, не требующего серьезного обслуживания, простого в эксплуатации.The purpose of the invention is to use the energy of reservoir pressure in an economically advantageous manner, which does not require serious maintenance, and is easy to operate.

Наиболее близкими к рассмотрению как прототип являются патенты, использующие автономную эксплуатацию и как следствие применение энергосберегающих технологий. В качестве прототипа был взят патент РФ №2344290, включающий пробоприемную, балластную камеру и расположенным между ними запорным устройством, состоящим из регулятора давления и гидрореле.The closest to being considered as a prototype are patents that use autonomous operation and, as a result, the use of energy-saving technologies. The patent of the Russian Federation No. 2344290 was taken as a prototype, including a sample receiving, ballast chamber and a locking device located between them, consisting of a pressure regulator and a hydraulic relay.

Цель достигается гидравлическим управлением в данном случае устройства регулирования потоками в скважине, представляющего собой корпус, установленный в наружный корпус в верхней точке продуктивного пласта или установленный на муфту (переводник) снаружи насосно-компрессорной трубы, имеющий входные и выходные отверстия для потока скважинной жидкости. Из корпуса выступает второй разделительный поршень, на котором закреплен клапан или дроссель или задвижка. Эти элементы могут регулировать поток или потоки, в зависимости от их количества, путем осевого перемещения. Для этого производится стравливания части гидравлической жидкости из одной или двух камер, отсеченных от пластовой жидкости разделительными поршнями, либо по одному гидравлическому каналу, либо по двум гидравлическим каналам в балластную камеру. При этом клапан либо закрывает проходное отверстие, либо открывает, либо частично закрывает. На рисунках 1-6 изображены: 1 - запорное устройство, 2 - корпус, 3 - второй разделительный поршень, 4 - клапан, 5 - разделительный поршень, 6 - шток, 7 - камера, 8 - герметичные уплотнения, 9 - вторая камера, 10 - второе запорное устройство, 11 - балластная камера, 12 - блок питания, управления и связи, 13 - муфта, 14 - входные отверстия, 15 - наружный корпус, 16 - выходные отверстия.The goal is achieved by hydraulic control in this case of the flow control device in the well, which is a housing installed in the outer housing at the upper point of the productive formation or mounted on a sleeve (sub) outside the tubing, having inlets and outlets for the flow of the well fluid. A second separating piston protrudes from the body, on which a valve or throttle or gate valve is fixed. These elements can regulate the flow or flows, depending on their number, by axial movement. To do this, part of the hydraulic fluid is bled from one or two chambers cut off from the reservoir fluid by separating pistons, either through one hydraulic channel or through two hydraulic channels into the ballast chamber. In this case, the valve either closes the through hole, or opens, or partially closes. Figures 1-6 show: 1 - locking device, 2 - housing, 3 - second separating piston, 4 - valve, 5 - separating piston, 6 - stem, 7 - chamber, 8 - hermetic seals, 9 - second chamber, 10 - second locking device, 11 - ballast chamber, 12 - power supply, control and communication unit, 13 - coupling, 14 - inlets, 15 - outer casing, 16 - outlets.

Предлагаемый способ использует перемещение разделительного поршня 5 только в одну возможную сторону, то есть в сторону балластной камеры 11 благодаря избыточному давлению скважинной жидкости, проходящей через входные отверстия 14 и нулевое давление балластной камеры 11. Для регулирования потоков в многопластовой скважине используется клапан 4, размещенный в наружном корпусе 15 или муфте 13, закрепленный на втором разделительном поршне 3. Во второй разделительный поршень 3 установлен разделительный поршень 5, соединенный со штоком 6 и помещен в корпус 2, образуя таким образом камеру 7, которая посредством запорного устройства 1 соединена с балластной камерой 11. Шток 6 сообщается со второй камерой 9, которая посредством второго запорного устройства 10 соединена с балластной камерой 11.The proposed method uses the movement of the separating piston 5 only in one possible direction, that is, towards the ballast chamber 11 due to the overpressure of the well fluid passing through the inlets 14 and the zero pressure of the ballast chamber 11. To regulate flows in a multilayer well, a valve 4 is used, located in outer housing 15 or sleeve 13, fixed on the second separating piston 3. In the second separating piston 3, a separating piston 5 is installed, connected to the rod 6 and placed in the housing 2, thus forming a chamber 7, which is connected to the ballast chamber 11 by means of a locking device 1 The stem 6 communicates with the second chamber 9, which is connected to the ballast chamber 11 by means of a second locking device 10.

На рис. 2-4 показаны стадии работы устройства по предлагаемому способу. На рис. 2 показано некоторое начальное состояние клапана 4, частично перекрывающее поток скважинной жидкости проходящей через входные отверстия 14 и выходящий через выходные отверстия 16, выполненный в данном случае в муфте 13. На рис. 3 открывая запорное устройство 1 и второе запорное устройство 10 под действием давления скважинной жидкости второй разделительный поршень 3 и разделительный поршень 5 двигаются в сторону балластной камеры 11, гидравлическая жидкость из камеры 7 и второй камеры 9 истекает в балластную камеру 11. При этом полностью открываются входные отверстия 14. На рис. 4 открывая второе запорное устройство 10 гидравлическая жидкость из второй камеры 9 истекает в сторону балластной камеры 11 и второй разделительный поршень 5 под действием давления пластовой жидкости движется в сторону балластной камеры 11, вытесняя из камеры 7 второй разделительный поршень 3 в противоположную балластной камере 11 сторону. При этом клапан 4, установленный на втором разделительном поршне 3 перекрывает входные отверстия 14.On fig. 2-4 shows the stages of operation of the device according to the proposed method. On fig. Figure 2 shows some initial state of the valve 4, partially blocking the flow of the well fluid passing through the inlets 14 and exiting through the outlets 16, made in this case in the sleeve 13. In fig. 3, opening the locking device 1 and the second locking device 10 under the action of the pressure of the well fluid, the second separating piston 3 and the separating piston 5 move towards the ballast chamber 11, the hydraulic fluid from the chamber 7 and the second chamber 9 flows into the ballast chamber 11. In this case, the inlet holes 14. In fig. 4, opening the second locking device 10, the hydraulic fluid from the second chamber 9 flows out towards the ballast chamber 11 and the second separating piston 5 moves towards the ballast chamber 11 under the action of formation fluid pressure, displacing the second separating piston 3 from the chamber 7 in the direction opposite to the ballast chamber 11. In this case, the valve 4 installed on the second separating piston 3 closes the inlets 14.

На рис. 7 изображено запорное устройство для реализации предложенного способа: 17 - входной гидравлический канал, 18 - регулятор давления, 19 - гидрореле, 20 - дозировочная камера, 21 - второе гидрореле, 22 - выходной гидравлический канал. Гидравлическая жидкость из камеры 7 или второй камеры 9 поступает по входному гидравлическому каналу 17 на регулятор давления 18, который снижает его до величины, при котором гидрореле 19 и второе гидрореле 21 можно открывать и закрывать малыми электрическими токами. В описания под термином «открывая запорное устройство» следует понимать следующий процесс. Сначала открывается гидрореле 19 на время выравнивания давления в дозировочной камере 20, затем закрывается гидрореле 19, открывается гидрореле 21, давление дозировочной камеры стравливается, часть ее уходит в балластную камеру 11 по выходному гидравлическому каналу 22 и закрывается гидрореле 21. Следует понимать, что между указанными этапами существуют некоторые временные задержки. Применение дозировочной камеры 20 и второго гидрореле 21 позволило сделать процесс дискретным или ступенчатым, что позволяет точнее устанавливать регулировочный элемент клапан 4.On fig. 7 shows a locking device for implementing the proposed method: 17 - inlet hydraulic channel, 18 - pressure regulator, 19 - hydraulic relay, 20 - dosing chamber, 21 - second hydraulic relay, 22 - hydraulic outlet channel. The hydraulic fluid from the chamber 7 or the second chamber 9 flows through the inlet hydraulic channel 17 to the pressure regulator 18, which reduces it to a value at which the hydraulic relay 19 and the second hydraulic relay 21 can be opened and closed by small electric currents. In the description, the term "opening the locking device" should be understood as the following process. First, the hydraulic relay 19 opens for the time of pressure equalization in the dosing chamber 20, then the hydraulic relay 19 closes, the hydraulic relay 21 opens, the pressure of the dosing chamber is released, part of it goes into the ballast chamber 11 through the outlet hydraulic channel 22 and the hydraulic relay 21 closes. It should be understood that between the indicated stages, there are some time delays. The use of the dosing chamber 20 and the second hydraulic relay 21 made it possible to make the process discrete or stepped, which makes it possible to more accurately set the adjusting element valve 4.

Блок питания, управления и связи 12 служит помимо прямых обязанностей, отраженных в названии, служит также для поддержания автономности устройства. Рассмотренные выше патенты не могут обойтись без кабеля в силу своей энергозатратности, а предложенное устройство может. Автономное питание можно рассматривать как резервный источник питания для выполнения задач регулирования потоков в скважине.The power supply, control and communication unit 12 serves in addition to the direct duties reflected in the name, it also serves to maintain the autonomy of the device. The patents discussed above cannot do without a cable due to their energy consumption, but the proposed device can. Autonomous power can be considered as a backup power source for performing the tasks of flow control in the well.

На рис. 5, 6 показаны варианты установки устройства по предлагаемому способу внутри наружного корпуса и снаружи насосно-компрессорной трубы на муфте.On fig. 5, 6 show options for installing the device according to the proposed method inside the outer casing and outside the tubing on the coupling.

Claims

1. A valve control device containing a housing mounted on a sleeve or sub or inside the outer housing, with inlets and outlets, a valve including a chamber with a separating piston connected to the ballast chamber through a locking device, a locking device consisting of a pressure regulator and a hydraulic relay , characterized in that the device contains the first separating piston, made with the possibility of moving only in one direction - towards the ballast chamber, due to the excess pressure of the well fluid passing through the inlets, and due to the zero pressure of the ballast chamber, while the valve control device , or a throttle, or a gate valve, placed in the outer housing or coupling and fixed on the second separating piston, includes the first chamber formed by the body and the second separating piston, inside of which the first separating piston with a rod is installed, and connected to the ballast chamber through the first locking device, additionally containing a dosing chamber and a second hydraulic relay, while the rod communicates with the second chamber formed by the body and the rod and connected by means of the second locking device to the ballast chamber, while the ballast chamber contains a power supply, control and communication unit, made with the possibility of autonomous power supply valve control devices.

2. A method for controlling flow in a well, including a valve control device according to claim 1, according to which the first and second locking devices are opened, the first and second separating pistons are moved towards the ballast chamber under the action of excess pressure of the well fluid with the outflow of hydraulic fluid from the first and second chambers into the ballast chamber, after the inlet channel is fully opened, both locking devices are closed, the second locking device is opened and the first separating piston is moved towards the ballast chamber, displacing the second separating piston from the first chamber in the direction opposite to the ballast chamber, while the valve installed on the second separating piston, blocks the inlet holes.