Способ одновременно-раздельной эксплуатации многопластовой скважины и приемный клапан для периодического перекрывания потока из пластов

 

Предложение относится к добыче текучих полезных ископаемых, в частности может быть применено при эксплуатации нефтяных или газовых скважин. Обеспечивает произвольный выбор количества и расположения вскрытых пластов в многопластовой скважине, подлежащих одновременной эксплуатации для наиболее полного использования возможностей каждого пласта. Сущность изобретения по способу: осуществляют селективную выработку продуктивных пластов с помощью установленных против каждого пласта и управляемых с устья скважины приемных клапанов. Каждый из клапанов имеет два устойчивых положения "закрыто" и "открыто". Перевод из одного положения в другое осуществляют импульсом давления с устья скважины. Каждый клапан имеет порог срабатывания. Открывание-закрывание клапанов достигают путем последовательной подачи двух импульсов давления: на срабатывание желаемого клапана и на срабатывание следующего клапана, настроенного на меньшее давление. Сущность изобретения по устройству: оно состоит из корпуса, золотника с приемными отверстиями и пружины под торцем золотника. На торцах золотника выполнены упоры. Один из них входит в пазовый венец в корпусе с двумя последовательно чередующимися по глубине видами пазов. Упор другого торца золотника при переключении клапана входит в пазовый венец с криволинейными пазами в корпусе с другой стороны, обеспечивающий при движении золотника в осевом направлении его разворот. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области добычи текучих полезных ископаемых, в частности нефти, и может быть использовано при эксплуатации многопластовых скважин, как для раздельной выработки пластов, так и для одновременной.

Известен способ эксплуатации многопластовой скважины, когда выработка продуктивных пластов через один ствол скважины с раздельной или смешанной подачей продукта на поверхность осуществляется по раздельным каналам с помощью специального инструмента, размещенного в обсадной колонне и снабженного подвижным устройством, обеспечивающим путем перекрытия необходимых отверстий поток продукта либо из любого пласта, либо из нескольких одновременно [1].

Способ имеет ограничение по количеству вырабатываемых пластов из-за ограниченного пространства (диаметр обсадной колонны), в котором должен быть размещен инструмент для приема продукта и переключения его потоков в зависимости от заданного режима работы скважины. Реализация способа к тому же требует сложного и дорогостоящего оборудования и связана с проведением значительного объема спускоподъемных работ.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ одновременной эксплуатации многопластовой скважины путем селективной выработки продуктивных пластов с помощью установленных против каждого пласта на эксплуатационной колонне и управляемых с устья скважины приемных клапанов [2].

Сущность способа заключается в том, что выбор вскрытого продуктивного пласта, подлежащего эксплуатации, осуществляют изменением хода плунжера глубинного насоса, цилиндром для которого являются подъемные трубы, при этом длина хода может устанавливаться любая в интервалах от устья до забоя скважины. Регулирование отбора продукта из пластов также производится путем изменения хода плунжера.

Недостатком этого способа является его недостаточная гибкость. Произвольный выбор пластов, подлежащих эксплуатации, невозможен. Кроме того, реализация этого способа возможна только в условиях принудительной эксплуатации скважины, т.е. с использованием глубинных насосов.

Техническим результатом изобретения по способу является обеспечение произвольного выбора количества и расположения вскрытых пластов в многопластовой скважине, подлежащих одновременной эксплуатации в любое заданное время, уменьшениe спускоподъемных операций при изменении режима работы для наиболее полного использования возможностей каждого пласта при экологической безопасности.

Необходимый технический результат достигается тем, что по способу раздельно-одновременной эксплуатации многопластовой скважины путем селективной выработки продуктивных пластов с помощью установленных против каждого пласта на эксплуатационной колонне и управляемых с устья скважины приемных клапанов, согласно изобретению, каждый приемный клапан имеет два устойчивых положения "закрыто" и "открыто", а перевод их из одного положения в другое осуществляют импульсом давления посредством нагнетания рабочей среды с устья скважины, при этом каждый клапан имеет индивидуальный элемент, определяющий порог его срабатывания при подаче импульса давления, а открывание-закрывание приемных клапанов достигают путем последовательной подачи двух импульсов давления: первый - давление равно давлению срабатывания желаемого клапана, второй - давление равно давлению срабатывания следующего, настроенного на меньшее давление, а если настроенного на меньшее давления нет, то второй импульс не подают.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема работы скважины по предложенному способу.

В скважине установлена колонна 1 труб, в которой против вскрытых продуктивных пластов (в данном случае 4 пласта, А, Б, В, Г) установлены приемные гидравлические клапаны 2-5, соединенные с продуктивной зоной пластов сквозными каналами 6 (перфорация), при необходимости расположенными в несколько рядов по вертикали. Затрубное пространство 7 герметизировано между пластами пакерами 8. Подачу рабочей среды 9 в колонну для управления клапанами производят с устья скважины штатным гидронасосом 10. При необходимости изменения режима работы скважины: изменения количества эксплуатирующихся пластов или замены задействованных пластов на новые - управление осуществляют путем подачи в колонну импульса давления, равного или несколько большего величине порога срабатывания того клапана, который необходимо перевести в новое состояние.

Предположим, в соответствии с фиг. 1 на клапанах 2-5 установлен порог срабатывания, равный P₁ > P₂ > P₃ > P₄ > P₅. В исходном состоянии клапаны все закрыты и дебит скважины равен 0. В соответствии с действующей стратегией выработки пластов скважины необходимо открыть пласты: Б и Г, сохранив закрытыми пласты А и В. Для этого в колонне труб 1 создают давление P_н = P₂ > P₃ > P₄, при этом клапаны 2-4 открываются. Чтобы закрыть клапан 3, подают еще один импульс, равный P_н = 3, но при этом закрывается и клапан 4, так как P_н > P₄. Чтобы открыть клапан 4, как этого требует заданный режим работы скважины, необходимо дать еще один импульс, равный P_н = P₄.

Таким образом, изменяя давление в колонне в соответствии с пороговыми давлениями на клапанах, можно выбрать любое сочетание работающих и закрытых клапанов, независимо от общего числа установленных на скважине. И таким образом обеспечивают наиболее благоприятный режим выработки пластов и исключают подъемно-транспортные операции при изменении режимов.

Для реализации изложенного выше способа эксплуатации многопластовой скважины предлагается новое устройство клапана.

Известна конструкция золотникового клапана, состоящего из установленного на эксплуатационной колонне корпуса, состоящего из соединенных между собой верхней и нижней трубчатых секций, в нижней из которых выполнены приемные боковые каналы [3] . Внутри секционного корпуса вдоль его оси перемещается втулка (золотник), регулирующая площадь живого сечения боковых каналов между полностью открытыми и полностью закрытыми положениями. Фиксацию втулки в заданном положении и перемещение ее производят специальными устройствами, управляемыми с устья скважины.

Недостатком указанной конструкции является ее чрезмерная механическая сложность, что снижает надежность и усложняет эксплуатацию. Для использования при эксплуатации многопластовых скважин данная конструкция не пригодна, так как не обеспечивает произвольный выбор пласта, предназначенного для выработки в любое заданное время.

Наиболее близким аналогом изобретения в части устройства является приемный клапан для периодического перекрывания потока из продуктивных пластов, состоящий из корпуса, являющегося частью эксплуатационной колонны, золотника с приемными отверстиями и пружины, установленной под торцем золотника [4].

Основной недостаток этого устройства заключается в том, что для изменения режима работы скважины в процессе ее эксплуатации, в частности для прекращения выработки одного из пластов или для введения в эксплуатацию нового пласта, необходимо провести длительные и трудоемкие спускоподъемные работы, так как механизм управления перемещением клапанных втулок содержит сложные механические узлы, а также сменные элементы. При этом оперативность управления режимами работы скважины теряется.

Техническим результатом изобретения в части устройства является создание независимой гибкой оперативной системы управления приемными клапанами для обеспечения оптимального режима работы многопластовой скважины. Известные решения по конструкции клапанов неприемлемы для реализации данного предложения. Результат достигается тем, что по приемному каналу для периодического перекрывания потока из продуктивных пластов, состоящему из корпуса, являющегося частью эксплуатационной колонны, золотника с приемными отверстиями и пружины, установленной под торцем золотника, согласно изобретению, для обеспечения двух устойчивых положений "открыто" и "закрыто" на торцах золотника выполнены упоры, один из которых в устойчивом положении клапана входит в пазовый венец в корпусе с двумя последовательно чередующимися по глубине видами пазов, что и определяет состояние смещения золотниковых отверстий по отношению к отверстиям в корпусе, а упор другого торца золотника при переключении клапана входит в пазовый венец с криволинейными пазами в корпусе с другой стороны, обеспечивающий при движении золотника в осевом направлении его разворот.

Конструкция клапана приведена на фиг. 2 (продольный разрез). Клапан состоит из корпуса 1 с приемными отверстиями 2, являющегося частью эксплуатационной колонны 3, золотника 4 с приемными отверстиями 5 и цилиндрической пружины 6, установленной под торцем золотника. На обоих торцах золотника выполнены упоры 8, один из которых 7 в установленном положении входит в пазовый венец 9 на корпусе 1 с двумя последовательно чередующимися по глубине видами пазов 10 и 11 (глубокий - вид А). Упор 8 другого торца золотника 4 при переключении клапана входит в пазовый венец 12. Пазы венца 12 имеют криволинейный профиль (вид Б, развертка), поэтому при движении золотника 4 вдоль оси происходит его разворот.

Работа золотника происходит следующим образом (фиг. 2). Исходное положение - клапан открыт (устойчивое положение - "открыто"), жидкость из пласта поступает в скважину под давлением P_п через отверстия 2 и 5, которые совмещены и далее по эксплуатационной колонне 3 транспортируется на поверхность любым способом (фонтанным, компрессорным или механизированным).

Для перевода клапана в положение "закрыто" (прекращение эксплуатации пласта) в эксплуатационную колонну с поверхности земли штатным гидронасосом нагнетают рабочую среду с давлением нагнетания P_н > P_п. Под воздействием этого давления, которое превышает порог срабатывания золотника 4, сжимается пружина 6, его упоры 7 выходят из пазов 10, а упоры 8 входят в криволинейные пазы венца 12 и по мере движения вдоль этих пазов разворачивают золотник на заданный угол. В результате сложения поступательного и вращательного движений золотник занимает новое положение относительно корпуса клапана, гарантирующее полное смещение отверстия 5 по отношению отверстия 2 как по оси клапана, так и по его радиусу. При этом упоры 7 находятся против глубоких пазов 11. Производят сброс давления до величины ниже порога срабатывания пружины золотника. Золотник 4 перемещается под действием пружины 6 вдоль оси клапана, его упоры 7 заходят в пазы 11 (глубокие) венца 9 и фиксируют клапан во втором устойчивом положении "закрыто". Подачу жидкости из пласта прекращают.

Предлагаемое устройство клапана позволяет реализовать предложенный в п.1 способ эксплуатации многопластовой скважины и обеспечить наиболее гибкий и, следовательно, наиболее оптимальный режим выработки ее вскрытых пластов.

Предлагаемое техническое решение позволяет создать гибкую независимую систему эксплуатации многопластовых скважин, позволяющую устанавливать оптимальные дебиты по каждому продуктивному пласту отдельно, вести независимые исследования состояния пластов в любое время, при этом количество вырабатываемых пластов не ограничивается и полностью исключается взаимное гидродинамическое влияние пластов, другим важным преимуществом нового решения является полное исключение трудоемких и длительных спускоподъемных операций, сопровождающих любое изменение режимов эксплуатации многопластовых скважин традиционными методами, например селективное перемещение клапанных втулок захватными механизмами.

Несомненным преимуществом рассмотренного предложения является также улучшение экологической обстановки в зоне промысла, поскольку исключается необходимость в периодическом раскрытии устья скважины и извлечения из нее загрязненных нефтепродуктами элементов.

Особенно следует отметить, что в условиях уменьшения запасов нефти и необходимости перехода к добыче нефти на прибрежных шельфах с плавучих платформ реализуется возможность предотвращения глобальных экологических катастроф.

При приближении шторма у экипажа практически отсутствует необходимое время на спускоподъемные операции для закрывания приемных клапанов. Предлагаемое техническое решение позволяет в считанные минуты без проведения каких-либо спускоподъемных операций перекрыть клапаны и предотвратить выливание нефти в море в случае разрыва при шторме колонны.

Источники информации 1. US 3509941 A, 05.05.1970.

2. SU 791948 A, 30.12.1980.

3. US 5211241, A, 18.05.1993.

4. SU 907225, A, 23.02.1982.

Формула изобретения

1. Способ одновременно раздельной эксплуатации многопластовой скважины путем селективной выработки продуктивных пластов с помощью установленных против каждого пласта на эксплуатационной колонне и управляемых с устья скважины приемных клапанов, отличающийся тем, что каждый приемный клапан имеет два устойчивых положения "закрыто" и "открыто", а перевод их из одного положения в другое осуществляют импульсом давления посредством нагнетания рабочей среды с устья скважины, при этом каждый клапан имеет индивидуальный элемент, определяющий порог его срабатывания при подаче импульса давления, а открывание-закрывание приемных клапанов достигают путем последовательной подачи двух импульсов давления: первый - давление равно давлению срабатывания желаемого клапана, второй - давление равно давлению срабатывания следующего, настроенного на меньшее давление, а если настроенного на меньшее давления нет, то второй импульс не подают.

2. Приемный клапан для периодического перекрывания потока из продуктивных пластов, состоящий из корпуса, являющегося частью эксплуатационной колонны, золотника с приемными отверстиями и пружины, установленной под торцем золотника, отличающийся тем, что для обеспечения двух устойчивых положений "открыто" и "закрыто" на торцах золотника выполнены упоры, один из которых в устойчивом положении клапана входит в пазовый венец в корпусе с двумя последовательно чередующимися по глубине видами пазов, что и определяет состояние смещения золотниковых отверстий по отношению к отверстиям в корпусе, а упор другого торца золотника при переключении клапана входит в пазовый венец с криволинейными пазами в корпусе с другой стороны, обеспечивающий при движении золотника в осевом направлении его разворот.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2