Исполнительный механизм и способ его применения
Изобретение относится к способу и устройству, связанным с применением исполнительного механизма, в частности исполнительного механизма, приводимого в действие давлением и сконструированного таким образом, чтобы обеспечить возможность его применения в сочетании с дренажными трубами, используемыми при добыче нефти и/или газа из нефтяного и/или газоносного пласта. Техническим результатом является обеспечение такого регулирования процесса дренирования пласта, в результате которого приток воды в каждую секцию или же соответствующую область дренажной трубы автоматически регулируют в зависимости от количества поступающей туда воды, благодаря чему поступление в нее воды все время удерживают на минимальном уровне. Предусматривают наличие осмотического элемента, используемого для приведения в действие указанного исполнительного механизма. Осмотический элемент помещают в поток текучей среды, благодаря чему обеспечивают наличие усилия и движения, необходимых для приведения в действие исполнительного механизма за счет использования разности значений осмотического давления либо между раствором, находящимся внутри осмотического элемента, и внешним потоком текучей среды, либо в пласте, содержащем эту текучую среду, по отношению к указанному элементу. В результате этого осуществляют соответствующее перемещение или настройку клапана или регулировочного устройства, ограничивающего приток. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству, связанным с применением исполнительного механизма, в частности исполнительного механизма, приводимого в действие давлением и сконструированного таким образом, чтобы обеспечить возможность его применения в сочетании с дренажными трубами, используемыми при добыче нефти и/или газа из нефтяного и/или газоносного пласта.
Уровень техники
Дренажные трубы, относящиеся к вышеуказанному типу, обычно подразделяются на отдельные секции, в которых имеется, как правило, одно или несколько устройств ограничения притока, регулирующих поступление нефти или газа в дренажную трубу.
В описаниях изобретений к патентам США №№4821801, 4858691 и 4577691, а также в описании изобретения к патенту Великобритании №2169018 раскрываются известные устройства, используемые при добыче нефти или газа с помощью длинных горизонтальных или вертикальных скважин. Такие известные устройства включают в свой состав перфорированную дренажную трубу, оснащенную, например, фильтром, располагающимся вокруг трубы и предназначающимся для предотвращения поступления внутрь нее песка. Основным недостатком известных устройств такого типа, используемых при добыче нефти и/или газа в высокопроницаемых геологических формациях, является то, что давление в дренажной трубе увеличивается экспоненциально выше по течению в результате трения потока, возникающего в дренажной трубе. В связи с уменьшением перепада давлений между пластом и дренажной трубой по мере продвижения выше по течению соответственно сокращается также и количество нефти и/или газа, поступающего из пласта в дренажную трубу. Таким образом, в результате применения такого технического решения будет происходить соответствующее уменьшение общего количества добываемой при этом нефти и/или газа. Таким образом, существует серьезная опасность образования конуса обводнения в зонах залегания низковязкой нефти и в высокопроницаемых геологических формациях, т.е. нежелательного поступления воды или газа в дренажную трубу ниже по течению, где скорость истечения нефти из пласта в трубопровод достигает своей самой высокой величины. Поэтому во избежание образования такого конуса обводнения необходимо будет соответственно сократить количество добываемой нефти.
Применяя способ, предложенный Стингером, который описывается в заявке №902544 на норвежский патент, можно добиться более высокой производительности по сравнению с описанными выше известными техническими решениями. Этот способ состоит в применении двух дренажных труб: наружной перфорированной трубы и внутренней трубы (Стингера), не имеющей перфорации и тянущейся внутри наружной трубы вплоть до требуемого местоположения. Профиль распределения давлений и, следовательно, производительность при использовании способа, предложенного Стингером, будет несколько лучше, чем при применении других известных способов. Однако при применении такого способа в зонах залегания низковязкой нефти, имеющих высокую проницаемость, может также образовываться нежелательный конус обводнения, содержащий воду или газ, что в результате приведет к уменьшению производительности.
В журнале «Уорлд Ойл» (World Oil), т.212, №11 (11/91), стр.23-78, описывается способ разделения дренажной трубы на отдельные секции, в каждой из которых предусматривается наличие одного или нескольких ограничительных устройств, препятствующих поступлению нефти или газа и выполненных в виде соответствующих муфт или дроссельных устройств, выполненных с обеспечением возможности их перемещения. Однако эта публикация относится, в основном, к способам контроля над поступлением нефти или газа, которые в целях предупреждения образования обводнения или прорыва газа ограничивают поступление в трубу нефти из зон выше по течению.
В патентном документе WO-A-9208875 раскрывается горизонтальная труба для добычи нефти или газа, содержащая несколько продуктивных зон, каждая из которых связана со смесительными камерами, имеющими больший внутренний диаметр, чем продуктивные зоны. В продуктивных зонах имеется наружная перфорированная труба, которую можно рассматривать как фильтр. Однако последовательность отдельных секций, имеющих разные диаметры, является неудачной, так как в результате применения такой последовательности секций поток внутри трубы приобретает турбулентность, а также это служит препятствием для использования оборудования, обычно вводимого внутрь трубы при помощи скважинных тягачей или «спиральных трубчатых» систем.
Технология бурения горизонтальных скважин была известна еще в 1920 г., но многие все еще продолжают рассматривать ее и в настоящее время в качестве новаторской технологии. В течение последних двадцати лет непрерывно проводятся работы по подготовке и вскрытию месторождений посредством бурения горизонтальных скважин, осуществляемого безопасным и эффективным способом. Современное состояние технологии в этой области таково: уровень безопасности при проведении буровых работ повышается, расходы примерно на 50% выше по сравнению с расходами при бурении вертикальных скважин, но горизонтальные скважины обеспечивают в три, четыре раза больший объем добычи в зависимости от особенностей нефтяного пласта.
Было наглядно показано, что горизонтальные скважины являются, с точки зрения финансирования проводимых работ, своего рода неким предварительным условием для начала эксплуатации соответствующего месторождения, например добычи нефти из геологических формаций, характеризующихся наличием низковязкой зоны нефти, высокой проницаемостью и возможностью частого образования нежелательного обводнения из-за скопления воды или прорыва газа. Ожидается, что в будущем горизонтальные скважины будут гораздо чаще применяться при эксплуатации малых, используя финансовый термин - маргинальных нефтяных или газовых месторождений.
В европейском патенте №0588421, выданном на имя заявителя настоящего изобретения, описывается способ улучшения профиля давления в дренажной трубе, выходящий за пределы известных, описанных здесь выше технических решений, путем введения соответствующих ограничений на разность между давлением в пласте и давлением в кольцевом пространстве, находящемся снаружи дренажной трубы, и уравновешивания тем самым профиля давления в пределах всей скважины непосредственно снаружи дренажной трубы. Это осуществляется посредством такого расположения соответствующих устройств, ограничивающих приток в каждой секции трубы, при котором входные отверстия указанных устройств соединены с кольцевым пространством, находящимся между геологической формацией и дренажной трубой, или же с кольцевым пространством, находящимися между фильтром и дренажной трубой, а выходные их отверстия соединяются при этом с соответствующим отсеком дренажной трубы, внутрь которого поступает поток. Такое техническое решение предусматривает применение соответствующих устройств, ограничивающих приток, которые находятся в фиксированном положении (относительно сквозного потока), что является недостатком.
Одновременно с развитием технологии бурения ужесточались также и требования, предъявляемые к технологии дренирования пласта. Известные на текущий момент технологии дренирования не позволяют получать приемлемых технических решений для регулирования дренирования пласта с учетом имеющегося притока воды из пласта.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение позволяет реализовать техническое решение, которое обеспечивает такое регулирование процесса дренирования пласта, в результате которого приток воды в каждую секцию или же соответствующую область дренажной трубы автоматически регулируется в зависимости от количества поступающей туда воды, благодаря чему поступление в нее воды все время удерживается на минимальном уровне.
Способ, предлагаемый в соответствии с настоящим изобретением, отличается тем, что для приведения в действие исполнительного механизма используется осмотический элемент, помещенный в поток текучей среды, благодаря чему обеспечивается наличие усилия и движения, необходимых для приведения в действие исполнительного механизма за счет использования разности значений осмотического давления либо между раствором, находящимся внутри элемента, и внешним потоком текучей среды, либо в пласте, содержащем эту текучую среду, по отношению к указанному элементу, в результате чего происходит соответствующее перемещение или настройка клапана или регулировочного устройства, ограничивающего приток, как указано в пункте 1 прилагаемой формулы изобретения.
Независимый пункт, относящийся к устройству, применяемому в сочетании с исполнительным механизмом, предлагаемым в соответствии с настоящим изобретением согласно настоящему изобретению, дополнительно отличается тем, что исполнительный механизм содержит осмотический элемент, сконструированный таким образом, чтобы обеспечить возможность его помещения в поток текучей среды, благодаря чему обеспечивается наличие усилия и движения, необходимых для приведения в действие исполнительного механизма за счет использования разности значений осмотического давления либо между раствором, находящимся внутри элемента, и внешним потоком текучей среды, либо в пласте, содержащем эту текучую среду, по отношению к указанному элементу, в результате чего происходит соответствующее перемещение или настройка клапана или регулировочного устройства, ограничивающего приток, как указано в пункте 4 прилагаемой формулы изобретения.
В зависимых пунктах 2-3 и 5-9 формулы изобретения указываются характерные признаки, обеспечивающие соответствующие преимущества настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
Ниже следует подробное описание настоящего изобретения, ведущееся со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение мембранного элемента, при помощи которого обеспечивается разделение между собой двух разных растворов, и иллюстрирует принцип, лежащий в основе настоящего изобретения.
Фиг.2 представляет собой схематическое изображение раствора, в который помещается исполнительный механизм, выполненный в соответствии с настоящим изобретением и применяемый совместно с устройством, ограничивающим приток, или же с клапанным устройством, находящимся в дренажной трубе, предназначенной для добычи нефти или газа из формаций (скважины), расположенных под поверхностью земли.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение основано на принципе использования разности значений осмотического давления в элементе, служащем в качестве приводного механизма или же приводного блока исполнительного механизма. Более конкретно, настоящее изобретение основывается на применении осмотического элемента, предназначаемого для совместной работы его с соответствующим исполнительным механизмом. Осмотический элемент размещается в потоке текучей среды, благодаря чему обеспечивается наличие усилия и движения, необходимых для приведения в действие исполнительного механизма за счет использования разности значений осмотического давления между раствором, находящимся внутри элемента, и внешним потоком текучей среды, по отношению к указанному элементу, в результате чего происходит соответствующее перемещение или настройка, например, клапана или устройства, ограничивающего приток.
Фундаментальный способ приведения в действие элемента, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, может быть проиллюстрирован, как показано на рис.1, применительно к «замкнутому» контейнеру 1, состоящему из двух камер 2, 4, одна из стенок которых представляет собой полупроницаемую мембрану 3. Такая полупроницаемая мембрана 3 является проницаемой по отношению к раствору - в данном случае практически целесообразным является применение водно-соляного раствора - находящемуся внутри одной камеры 2, но при этом она непроницаема для самой растворенной среды, в данном случае таковой средой является соответствующая соль. Таким образом, вода может при этом беспрепятственно перемещаться из камеры 2 элемента сквозь мембрану 3 в другую его камеру 4, где находится вода или же водный раствор, имеющий пониженное содержание соли. Вследствие того, что вода при этом проходит сквозь мембрану, возникает соответствующая разность давлений по обе стороны от мембраны. Эта величина называется разностью осмотического давления. Жирной линией в каждой из камер 5 и 6 обозначены уровни жидкости внутри них.
Осмотическое давление определяется посредством решения классических термодинамических уравнений, для которых принимается условие достижения равновесного состояния по обе стороны от мембраны. По достижении равновесного состояния химический потенциал раствора должен быть одинаковым с каждой стороны мембраны, учитывая изотермические условия. На фиг.1 видно, что химический потенциал для двух фаз, существующих в камерах 2 и 4, может быть соответственно определен как:
где R - универсальная газовая постоянная, Т - температура, V - молярный объем, Р - давление, а - концентрация раствора. Молекулы раствора, находящиеся в фазе разбавления, обладают более высоким (более отрицательным) химическим потенциалом по сравнению с молекулами, находящимися в концентрированной фазе. Такое нарушение химического равновесия приводит к возникновению потока молекул раствора (воды), перемещающихся из менее концентрированной фазы в более концентрированную фазу. Такое перемещение их продолжается до тех пор, пока не восстановится равновесие и
Все параметры в выражении для расчета химического потенциала (уравнения 1 и 2, приведенные выше) могут изменяться, например температура, концентрация и давление. Другими словами, что касается водно-соляного раствора, то вода будет быстро перемещаться по направлению к той стороне, где концентрация раствора выше, разбавляя при этом раствор, в то время как соль будет стремиться быстро переместиться в противоположном направлении, обеспечивая при этом соответствующее повышение концентрации раствора. Перемещение соли будет при этом происходить только в том случае, если мембрана не является идеально полупроницаемой мембраной. Объединив все уравнения (1), (2) и (3) друг с другом, получаем следующее выражение:
Разность между соответствующими значениями гидродинамического давления (P1-P2) называется разностью между значениями осмотического давления Δπ=π1-π2. В случае если в фазе 2 (ai,1=1 в камере 4) предусматривается использование чистого раствора (воды), уравнение (4), определяющее давление, принимает следующий вид:
В соответствии с вышеизложенным фиг.2 представляет собой схематическое изображение раствора, в который помещается исполнительный механизм 10, выполненный в соответствии с настоящим изобретением и применяемый совместно с дренажной трубой 8, предназначенной для добычи нефти или газа из формаций (из скважины, не показано), расположенных под поверхностью земли. В представленном здесь примере исполнительный механизм является встроенной частью клапана или же регулировочного устройства, ограничивающего приток и установленного в дренажной трубе.
Как показано на фиг.2, исполнительный механизм 10 состоит из корпуса 7, снабженного внутренним осмотическим элементом 9. При этом корпус 7 вместе с осмотическим элементом 9 располагается внутри трубы 8 прямо напротив отверстия 11 и крепится к ней. При этом предусматривается, чтобы нефть, газ и (или) вода поступали из формации внутрь трубы 8 через отверстие 11, пропускались через элемент 9 и далее через соответствующие проемы или отверстия 12, предусмотренные в корпусе, а затем в обход перекрывающей плиты или иной аналогичной детали 13 проходили дальше вглубь трубы 8. Элемент 9 состоит, в свою очередь, из полого корпуса или камеры, торцевая сторона которой, обращенная к соответствующей стенке трубы 8, представляет собой полупроницаемую мембрану 14, тогда как другая стенка этого корпуса, находящаяся с противоположной его стороны, представляет собой гибкую непроницаемую мембрану 15. Перекрывающая плита 13, которая находится с противоположной стороны относительно отверстий 12, крепится к гибкой мембране 15. Внутренняя полость элемента 9 заполняется водно-соляным раствором, причем сюда же закладываются также соляные глыбы 16, предназначенные для того, чтобы раствор все время оставался насыщенным.
Исполнительный механизм 10, снабженный элементом 9, работает следующим образом. Когда сквозь мембрану 14 проходит только нефть и (или) газ, гибкая мембрана 15 вместе с перекрывающей плитой 13 будет отжиматься внутрь и при этом поток соответствующей текучей среды получает возможность проходить через промежуток между отверстиями 12 и перекрывающей плитой 13 (находящейся при этом в открытом положении). Когда вместе с нефтью и (или) газом начнет проходить сквозь эту мембрану также вода, то тогда постепенно внутри камеры начнет скапливаться вода, проходящая сквозь мембрану 14, вызывая при этом соответствующее увеличение объема раствора, находящегося внутри камеры, в результате чего гибкая мембрана 15 начнет вместе с плитой 13 перемещаться в наружном направлении, постепенно перекрывая поток соответствующей текучей среды, проходящий через отверстия 12. Если при этом накопится достаточно большое количество воды, например, в случае образования соответствующего конуса обводнения, как упомянуто выше во вводной части настоящего описания, то тогда произойдет перемещение гибкой мембраны вместе с этой плитой в наружном направлении на полную величину их хода, в результате чего сквозной поток будет полностью перекрыт. Таким образом, исполнительный механизм, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, может использоваться для частичного или же полного регулирования притока нефти и (или) газа, которое будет осуществляться в зависимости от количества воды, поступающей вместе с нефтью или газом.
Следует обратить внимание на то, что настоящее изобретение в том его виде, как оно определено в прилагаемой формуле изобретения, не ограничивается исключительно только лишь приведенным выше примером его осуществления. Например, вместо гибкой мембраны может предусматриваться наличие соответствующего устройства, выполненного в виде цилиндра с находящимся внутри него поршнем, причем поршень этого устройства осуществляет соответствующее перемещение перекрывающей плиты. Либо вместо технического решения, предусматривающего наличие отверстий и плиты соответственно 12 и 13, может быть применено такое техническое решение, которое основывается на применении иглы и сопла, причем перемещение иглы относительно сопла в этом случае обеспечивается при помощи гибкой мембраны или же поршня.
Настоящее изобретение также не ограничивается в своей практической реализации только лишь применительно к добыче нефти и (или) газа, как это указано в приведенном выше описании изобретения. Оно может быть использовано в любой ситуации, в которой присутствуют какие-либо жидкие среды или же растворы и где может быть применен принцип осмоса.
Настоящее изобретение может быть с обеспечением при этом соответствующих преимуществ реализовано практически применительно к такому устройству, предназначенному для ограничения притока текучей среды, которое раскрывается в описании изобретения к европейскому патенту №0588421, принадлежащему заявителю настоящего изобретения.
1. Способ применения исполнительного механизма (7), предназначенного для размещения его в потоке текучей среды или же в пласте, содержащем такую текучую среду, и, в частности, исполнительного механизма, сконструированного таким образом, чтобы обеспечить возможность его применения в сочетании с дренажной трубой (8), используемой при добыче нефти и/или газа из нефтяного и/или газоносного пласта, отличающийся тем, что предусматривают наличие осмотического элемента (9), используемого для приведения в действие указанного исполнительного механизма (10) и помещаемого в поток текучей среды, благодаря чему обеспечивают наличие усилия и движения, необходимых для приведения в действие исполнительного механизма за счет использования разности значений осмотического давления либо между раствором, находящимся внутри элемента (9), и внешним потоком текучей среды, либо в пласте, содержащем эту текучую среду, по отношению к указанному элементу, в результате чего осуществляют соответствующее перемещение или настройку клапана или регулировочного устройства (10), ограничивающего приток.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в указанном элементе в качестве раствора используют водно-соляной раствор.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что исполнительный механизм (7) используют для приведения в действие клапана (13, 7), которым регулируют приток текучей среды, поступающей сквозь приточные отверстия в дренажной трубе (8).
4. Исполнительный механизм (7), предназначенный для размещения его в потоке текучей среды, и, в частности, исполнительный механизм, сконструированный таким образом, чтобы обеспечить возможность его применения в сочетании с дренажной трубой (8), используемой при добыче нефти и/или газа из нефтяного и/или газоносного пласта, отличающийся тем, что указанный исполнительный механизм (10) содержит осмотический элемент (9), сконструированный с возможностью его помещения в поток текучей среды, благодаря чему обеспечивают наличие усилия и движения, необходимых для приведения в действие исполнительного механизма (10) за счет использования разности значений осмотического давления либо между раствором, находящимся внутри элемента (9), и внешним потоком текучей среды, либо в пласте, содержащем эту текучую среду, по отношению к указанному элементу, в результате чего осуществляют соответствующее перемещение или настройку клапана или регулировочного устройства, ограничивающего приток.
5. Исполнительный механизм по п.4, отличающийся тем, что в указанном элементе в качестве раствора используют водно-соляной раствор.
6. Исполнительный механизм по п.4 или 5, отличающийся тем, что исполнительный механизм (10) является встроенной частью клапана или же регулировочного устройства, ограничивающего приток, причем указанный элемент (9) расположен внутри корпуса (7), который закреплен к стенке изнутри дренажной трубы (8) под отверстием (11) в стенке трубы, благодаря чему обеспечено перетекание текучей среды из пласта, находящегося снаружи дренажной трубы, сквозь отверстие или отверстия (11), где далее эта среда проходит через корпус (7) и выходит оттуда сквозь отверстия (12), выполненные в нем, а также предусмотрено наличие плиты (13), предназначенной для закрывания и открывания отверстий (12) с помощью элемента (9).
7. Исполнительный механизм по п.6, отличающийся тем, что плита (13) клапана сконструирована таким образом, чтобы перемещаться под воздействием на нее соответствующей гибкой мембраны (5), которая представляет собой целиком или частично одну из стенок указанного элемента (9).
8. Исполнительный механизм по п.6, отличающийся тем, что плита (13) клапана сконструирована таким образом, чтобы перемещаться под воздействием на нее соответствующего поршня, а указанный элемент представляет собой конструкцию, выполненную в виде цилиндра с находящимся внутри него поршнем, и в которой движущийся поршень является одной из стенок корпуса указанного элемента.
9. Исполнительный механизм по одному из пп.5, 7 и 8, отличающийся тем, что предусмотрено закладывание соляных глыб (16) внутрь указанного элемента.
10. Исполнительный механизм по п.6, отличающийся тем, что предусмотрено закладывание соляных глыб (16) внутрь указанного элемента.
