Система гидравлического привода, нефтяная скважина и способ управления скважинным устройством - RU2260676C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится, в общем, к нефтяным скважинам, а более конкретно - к нефтяным скважинам, имеющим систему связи для подачи питания и сигналов связи в скважинную гидравлическую систему, которая в рабочем состоянии подсоединена к скважинному устройству для обеспечения работы скважинного устройства.

Известно несколько способов размещения электронных схем, датчиков или скважинных управляемых клапанов вдоль колонны насосно-компрессорной трубы для нефтедобычи, но все эти известные устройства обычно используют внутренний или внешний кабель, проходящий вдоль колонны насосно-компрессорных труб, для подачи питания и сигналов связи в скважину. Конечно, на практике крайне нежелательно и трудно использовать кабель вдоль колонны насосно-компрессорных труб, совмещенный с колонной насосно-компрессорных труб или расположенный в кольце между колонной насосно-компрессорных труб и обсадной колонной. Использование кабеля представляет трудности для рабочих буровых скважин при сборке и спуске колонны насосно-компрессорных труб в буровую скважину. Кроме того, кабель подвергается коррозии и сильному изнашивания из-за перемещения колонны насосно-компрессорных труб внутри буровой скважины. Пример скважинной системы связи с использованием кабеля раскрыт в заявке РСТ/ЕР 97/01621.

В патенте США № 4839644 описаны способ и система для беспроводной двухсторонней связи в обсаженной скважине, имеющей колонну насосно-компрессорных труб. Однако эта система описывает коммуникационную схему для связи энергии электромагнитного излучения типа ТЕМ с использованием кольца между обсадной колонной и насосно-компрессорной трубой. Эта индуктивная связь требует по существу непроводящего флюида, такого как сырая нефть, в кольце между обсадной колонной и насосно-компрессорной трубой. Поэтому изобретение, описанное в патенте США № 4839644, не получило широкого применения на практике в качестве схемы для скважинной двухсторонней связи.

Другая система для скважинной связи с использованием телеметрической системы регистрации импульсов давления в столбе бурового раствора описана в патентах США № 4648471 и 5887657. Хотя телеметрическую систему регистрации импульсов давления в столбе бурового раствора можно успешно использовать при низких скоростях передачи данных, она имеет ограниченную пригодность там, где требуются высокие скорости передачи данных или где нежелательно иметь сложное скважинное телеметрическое оборудование для регистрации импульсов давления в столбе бурового раствора. Другие способы связи в скважине описаны в патентах США № 4468665, 4573675, 4739325, 5130706, 5467083, 5493288, 5576703, 5574374 и 5883510. Аналогично несколько постоянных скважинных датчиков и систем управления было описано в патентах США № 4972704, 5001675, 5134285, 5278758, 5662165, 5730219, 5934371 и 5941307.

В патенте США 5257663 раскрыт способ управления пакером в скважине, включающий подачу тока вдоль трубопроводной структуры в - скважину с поверхности, повышение давления рабочей жидкости с использованием указанного тока и управление раскрытием пакера с использованием рабочей жидкости с повышенным давлением.

В других заявках настоящего заявителя описаны способы подачи электрического питания и сигналов связи в различные скважинные устройства в нефтяных скважинах. В этих способах применяются эксплуатационная насосно-компрессорная колонна в качестве питающей цепи и обсадная колонна в качестве цепи обратного тока для схемы питания и передачи сигналов связи или альтернативно обсадная колонна в качестве питающей цепи с грунтовым заземлением в качестве цепи обратного тока. В любой конфигурации электрические потери в схеме передачи сильно изменяются в зависимости от специфических условий для конкретной буровой скважины. Питание, подаваемое по обсадной колонне с помощью грунтового заземления в качестве цепи обратного тока, особенно восприимчиво к потерям тока. Утечка электрического тока, в общем, происходит через цемент завершения в пласт заземления. Чем больше проводимость цемента и пласта заземления, тем больше потери тока при протекании тока по обсадной колонне.

Поэтому существует потребность возмещения потерь питания, которые будут проявляться на практике при использовании скважинной системы беспроводной связи. Так как эти потери ограничивают величину мгновенной электрической мощности, необходимой для питания, то существует также потребность в системе и способе хранения энергии для последующего использования в скважинных устройствах, особенно в энергоемких устройствах, таких как запорные клапаны, или в другом оборудовании, обеспечивающем безопасность работ. Хотя одну из проблем скважинного хранения энергии можно решить с помощью накопления электрического заряда, например в конденсаторах, или аккумулирования энергии химическим способом, например в аккумуляторах, ограниченный срок службы таких устройств делает их использование неидеальным при эксплуатации нефтяной скважины.

Техническим результатом настоящего изобретения является решения проблем, существующих при возмещении потерь энергии вдоль пути ее передачи и при обеспечении рабочего источника мгновенной энергии в скважине.

Согласно изобретению создан способ управления скважинным устройством в нефтяной скважине, имеющей ствол скважины и трубопроводную структуру, размещенную в стволе скважины, при котором подают ток, изменяющийся во времени, вдоль трубопроводной структуры в скважину, повышают давление рабочей жидкости в скважине с использованием тока, изменяющегося во времени, управляют скважинным устройством с использованием рабочей жидкости повышенного давления и размещают вокруг трубопроводной структуры устройство полного сопротивления для образования проводящего участка трубопроводной структуры, обеспечивающего препятствие протеканию тока, изменяющегося во времени.

Способ может содержать управление электродвигателем в скважине и запуск насоса с помощью электродвигателя для повышения давления рабочей жидкости.

Управление скважинным устройством может дополнительно содержать использование привода, подсоединенного в рабочем состоянии к скважинному устройству и гидравлически подсоединенного к насосу, и выборочный запуск привода с помощью рабочей жидкости повышенного давления для приведения в действие скважинного устройства.

Выборочный запуск привода может дополнительно содержать использование вспомогательного клапана, гидравлически подсоединенного между насосом и приводом, и регулировку вспомогательного клапана для выборочного запуска привода.

Способ может дополнительно содержать хранение рабочей жидкости резервуаре и вывод рабочей жидкости из резервуара.

Способ может дополнительно содержать сбор рабочей жидкости повышенного давления в гидроаккумуляторе и выборочный выпуск рабочей жидкости повышенного давления из гидроаккумулятора для управления скважинным устройством.

Способ может дополнительно содержать сбор рабочей жидкости повышенного давления в гидроаккумуляторе, использование привода, подсоединенного в рабочем состоянии к скважинному устройству и гидравлически подсоединенного к гидроаккумулятору, выборочный выпуск рабочей жидкости повышенного давления из гидроаккумулятора для запуска привода и, таким образом, управления скважинным устройством.

Выборочный выпуск рабочей жидкости может дополнительно содержать использование вспомогательного клапана, гидравлически подсоединенного между гидроаккумулятором и приводом, и регулировку вспомогательного клапана для выборочного запуска привода.

Способ может дополнительно содержать использование привода, подсоединенного в рабочем состоянии к скважинному устройству и гидравлически подсоединенного к насосу, выборочное управление вспомогательным клапаном, гидравлически подсоединенным между насосом и приводом, для запуска привода и, таким образом, управления скважинным устройством.

В качестве скважинного устройства можно использовать главный клапан, и привод открывает и закрывает главный клапан.

Способ может дополнительно содержать сбор рабочей жидкости повышенного давления в гидроаккумуляторе, использование привода, подсоединенного в рабочем состоянии к скважинному устройству и гидравлически подсоединенного к гидроаккумулятору, выборочное управление вспомогательным клапаном, гидравлически подсоединенным между гидроаккумулятором и приводом, для запуска привода и, таким образом, управления скважинным устройством.

В качестве скважинного устройства можно использовать главный клапан, и привод открывает и закрывает главный клапан.

Согласно изобретению создана нефтяная скважина, содержащая ствол скважины, трубопроводную структуру, размещенную в стволе скважины, систему связи, соединенную в рабочем состоянии с трубопроводной структурой для передачи сигнала, изменяющегося во времени, вдоль трубопроводной структуры, и гидравлическую систему, электрически подсоединенную к трубопроводной структуре, приспособленную для подсоединения к скважинному устройству и для приема питания из сигнала, изменяющегося во времени, и для управления скважинным устройством. Система связи содержит устройство полного сопротивления, размещенное вокруг трубопроводной структуры, для образования проводящего участка, в котором обеспечивается препятствие прохождению сигнала, изменяющегося во времени, представляющего собой ток.

Сигнал, изменяющийся во времени, может включать сигнал связи для выборочного управления скважинным устройством.

Скважинным устройством может являться скважинный предохранительный отклоняющий клапан.

Гидравлическая система может дополнительно содержать электродвигатель для приема тока, изменяющегося во времени, из трубопроводной структуры, насос для выборочного повышения давления рабочей жидкости, подсоединенный в рабочем состоянии к электродвигателю и способный приводиться в действие с помощью электродвигателя, привод, гидравлически подсоединенный к насосу и в рабочем состоянии подсоединенный к скважинному устройству, при этом рабочая жидкость повышенного давления используется для запуска привода и, таким образом, управления скважинным устройством.

Гидравлическая система может дополнительно содержать электродвигатель для приема тока, изменяющегося во времени, из трубопроводной структуры, насос для выборочного повышения давления рабочей жидкости, подсоединенный в рабочем состоянии к электродвигателю и способный приводиться в действие с помощью электродвигателя, вспомогательный клапан, гидравлически подсоединенный к насосу, привод, гидравлически подсоединенный к вспомогательному клапану и в рабочем состоянии подсоединенный к скважинному устройству, при этом вспомогательный клапан приспособлен выборочно направлять рабочую жидкость повышенного давления в привод и, таким образом, запускать привод и управлять скважинным устройством. Скважинным устройством может являться клапан. Гидравлическая система может дополнительно содержать электродвигатель для приема тока, изменяющегося во времени, из трубопроводной структуры, насос для выборочного повышения давления рабочей жидкости, подсоединенный в рабочем состоянии к электродвигателю и способный приводиться в действие с помощью электродвигателя, гидроаккумулятор, гидравлически подсоединенный к насосу для сбора рабочей жидкости повышенного давления, привод, гидравлически подсоединенный к вспомогательному клапану и в рабочем состоянии подсоединенный к скважинному устройству, при этом рабочая жидкость повышенного давления, подаваемая с помощью гидроаккумулятора, способна приводить в действие привод и, таким образом, управлять скважинным устройством.

Гидравлическая система может дополнительно содержать электродвигатель для приема тока, изменяющегося во времени, из трубопроводной структуры, насос для выборочного повышения давления рабочей жидкости, подсоединенный в рабочем состоянии к электродвигателю и способный приводиться в действие с помощью электродвигателя, гидроаккумулятор, гидравлически подсоединенный к насосу для сбора рабочей жидкости повышенного давления, вспомогательный клапан, гидравлически подсоединенный к насосу, привод, гидравлически подсоединенный к вспомогательному клапану и в рабочем состоянии подсоединенный к скважинному устройству, при этом вспомогательный клапан приспособлен выборочно направлять рабочую жидкость повышенного давления в привод и, таким образом, запускать привод и управлять скважинным устройством.

Согласно изобретению создана также система гидравлического привода, содержащая электродвигатель, приспособленный для приема сигнала, изменяющегося во времени и подаваемого вдоль трубопроводной структуры, насос для повышения давления рабочей жидкости, подсоединенный в рабочем состоянии к электродвигателю и способный приводиться в действие с помощью электродвигателя, привод, гидравлически подсоединенный к насосу, приспособленный для крепления в рабочем состоянии к скважинному устройству, выборочного приведения в действие с помощью рабочей жидкости повышенного давления и, таким образом, запуска привода и управления скважинным устройством. Система содержит также устройство полного сопротивления, размещенное вокруг трубопроводной структуры для образования проводящего участка трубопроводной структуры, в котором обеспечивается препятствие прохождению сигнала, изменяющегося во времени, представляющего собой ток, и ток, изменяющийся во времени, пропускается вдоль проводящей части трубопроводной структуры, окруженной устройством полного сопротивления.

Сигнал, изменяющийся во времени, может включать сигнал связи для выборочного управления скважинным устройством.

Система может дополнительно содержать вспомогательный клапан, гидравлически подсоединенный между насосом и приводом и приспособленный выборочно направлять рабочую жидкость повышенного давления в привод.

Система может дополнительно содержит гидроаккумулятор, гидравлически подсоединенный к насосу для сбора рабочей жидкости повышенного давления.

Система может дополнительно содержать гидроаккумулятор, гидравлически подсоединенный к насосу для сбора рабочей жидкости повышенного давления, вспомогательный клапан, гидравлически подсоединенный между гидроаккумулятором и приводом и приспособленный выборочно направлять рабочую жидкость повышенного давления в привод.

Система может дополнительно содержать гидроаккумулятор, гидравлически подсоединенный к насосу для сбора рабочей жидкости повышенного давления, вспомогательный клапан, гидравлически подсоединенный между гидроаккумулятором и приводом и приспособленный выборочно направлять рабочую жидкость повышенного давления в привод, электрически изолирующую муфту, размещенную на трубопроводной структуре, при этом устройство полного сопротивления выполнено в виде индукционного дросселя, размещенного вокруг трубопроводной структуры, и ток, изменяющийся во времени, направлен вдоль трубороводной структуры между электрически изолирующей муфтой и индукционным дросселем.

Другие цели и преимущества настоящего изобретения приведены в следующем подробном описании со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 изображает схему нефтяной скважины, имеющей систему беспроводной связи и гидравлическую систему согласно настоящему изобретению;

фиг.2 изображает схему морской нефтяной скважины, имеющей систему беспроводной связи и гидравлическую систему согласно настоящему изобретению;

фиг.3 изображает в увеличенном масштабе схему трубопроводной структуры нефтяной скважины, имеющей увеличенный коллектор, размещенный в гидравлической системе, согласно настоящему изобретению;

фиг.4 изображает электрическую и водопроводную схему гидравлической системы, показанной на фиг.3;

фиг.5 изображает в увеличенном масштабе схему трубопроводной структуры нефтяной скважины, имеющей увеличенный коллектор, размещенный в гидравлической системе регулировки, согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.6 изображает электрическую схему гидравлической системы регулировки, показанной на фиг.5.

Термин "трубопроводная структура", который используется в настоящей заявке, может представлять собой одну-единственную трубу, насосно-компрессорную трубу, обсадную колонну буровой скважины, насосную штангу, ряд взаимосвязанных труб, штанги, металлические фермы, решетки сквозной фермы, опоры, отводные или боковые удлинители буровой скважины, сеть взаимосвязанных труб или другие структуры, известные специалистам. В предпочтительном варианте осуществления изобретение используется в контексте нефтяной скважины, где трубопроводная структура содержит трубчатую, металлическую, электропроводную трубу или колонны насосно-компрессорных труб, но изобретение не ограничено этим. Для настоящего изобретения, по меньшей мере, часть трубопроводной структуры должна быть электропроводной, при этом такая электропроводная часть может представлять собой в целом трубопроводную структуру (например, стальные трубы, медные трубы) или проходящую в продольном направлении электропроводную часть, совмещенную с проходящей в продольном направлении неэлектропроводной частью. Другими словами, электропроводная трубопроводная структура представляет собой структуру, которая обеспечивает путь тока от одного участка, где источник питания электрически подсоединен к другому участку, и устройство и/или цепь обратного тока электрически связаны. Трубопроводная структура обычно представляет собой известную круглую металлическую насосно-компрессорную колонну, но геометрия в поперечном сечении трубопроводной структуры или любой ее части может меняться по форме (например, круглая, прямоугольная, квадратная, овальная) и по размеру (например, длина, диаметр, толщина стенки) вдоль любой части трубопроводной структуры.

Термин "клапан" относится к любому устройству, которое выполняет функции регулировки потока флюида. Примеры клапанов включают, но не ограничиваются, сильфонные газлифтные клапаны и управляемые газлифтные клапаны, каждый из которых можно использовать для регулировки потока транспортирующего газа в колонну насосно-компрессорных труб буровой скважины.

Внутренняя работа клапанов может в значительной степени отличаться, и в настоящей заявке не ограничиваются клапанами, описанными с любой конкретной конфигурацией, до тех пор, пока клапан выполняет функции регулировки потока. Некоторые из различных типов механизмов регулировки потока включают, но не ограничиваются, конфигурации шарового клапана, конфигурации игольчатого клапана, конфигурации запорного клапана и конфигурации клетевого клапана. Клапаны обычно подразделяются на два класса: регулирующие клапаны, предназначенные только для полного открывания или полного закрывания, при этом промежуточные положения рассматриваются переходными. Последний класс клапанов может использоваться для защиты персонала или оборудования во время профилактического технического обслуживания и ремонта или может образовывать часть системы аварийной остановки буровой скважины, в случае которого они должны быть способны работать быстро и без продолжительной подготовки. Подповерхностные предохранительные клапаны служат примером этого типа клапана. Клапаны можно устанавливать в скважинном местоположении в буровой скважине различными способами, некоторые из которых включают в себя конфигурации установки с перемещаемой насосно-компрессорной колонной, конфигурации оправки для съемного клапана или постоянные конфигурации установки, таких как установка клапана в расширенном коллекторе насосно-компрессорной колонны.

Термин "модем" используется здесь в общем для ссылки на любое устройство связи для передачи и/или приема электрических сигналов связи через электрический проводник (например, металл). Следовательно, термин "модем", который используется здесь, не ограничен акронимом для модулятора (устройства, которое преобразовывает голос или сигнал данных к виду, пригодному для передачи)/демодулятора (устройства, которое восстанавливает первоначальный сигнал, которым была промодулирована высокочастотная несущая). Кроме того, термин "модем", который используется здесь, не ограничен известными компьютерными модемами, которые преобразовывают цифровые сигналы в аналоговые сигналы и наоборот (например, для передачи цифровых информационных сигналов по аналоговой коммутируемой телефонной сети общего пользования). Например, если датчик выдает данные измерений в аналоговом формате, то такие измерения могут только модулировать (например, с использованием модуляции с расширением спектра) и передавать, и, следовательно, не нужно выполнять аналого-цифрового преобразования. В качестве другого примера, релейный/подчиненный модем или устройство связи должны только идентифицировать, фильтровать, усиливать и/или ретранслировать принимаемый сигнал.

Термин "процессор" используется в настоящей заявке для обозначения любого устройства, которое позволяет выполнять арифметические и/или логические операции. Процессор может дополнительно включать в себя блок управления, память, арифметико-логическое устройство.

Термин "датчик", который используется в настоящей заявке, относится к любому устройству, которое обнаруживает, определяет, контролирует, записывает или, другими словами, регистрирует абсолютное значение или изменение значения физической величины. Датчики, которые описаны в настоящей заявке, можно использовать для измерения температуры, давления (как абсолютного, так и дифференциального), скорости потока и сейсмических данных, акустических данных, уровня рН, уровней солености, положений клапана или других физических данных.

Термин "беспроводный", который используется в настоящей заявке, означает отсутствие известного, изолированного электрического провода, например, проходящего от скважинного устройства до поверхности. Использование насосно-компрессорной колонны и/или обсадной колонны в качестве проводника рассматривается как "беспроводное".

Термин "электронный блок" в настоящей заявке относится к устройству управления. Электронные блоки могут существовать во многих конфигурациях и их можно устанавливать в местоположении скважины различными способами. В одной конфигурации установки электронный блок фактически располагается внутри клапана и обеспечивает управление работой электродвигателя внутри клапана. Электронные блоки можно также устанавливать снаружи любого конкретного клапана. Некоторые электронные блоки будут устанавливать внутри оправки для съемного клапана или расширенных карманов насосно-компрессорных труб, хотя другие можно постоянно прикрепить к насосно-компрессорной колонне. Электронные блоки часто электрически подсоединены к датчикам и помогают при передаче информации с датчика на поверхность скважины. Вероятно, что датчики, связанные с конкретным электронным блоком, могут быть даже смонтированы в корпусе внутри электронного блока. И, наконец, электронный блок часто тесно связан с и может фактически содержать модем для приема, передачи и ретрансляции сигналов связи из и на поверхность буровой скважины. Сигналы, которые принимают с поверхности с помощью электронного блока, часто используются для осуществления изменений внутри скважинных управляемых устройств, таких как клапаны. Сигналы, посланные или ретранслированные на поверхность с помощью электронного блока, обычно содержат информацию относительно физических условий в скважине, переданных с помощью датчиков.

Аналогично, в соответствии с известной терминологией, употребляемой в практике нефтяного промысла, определения "верхний", "нижний", "вверх по стволу скважины" и "скважинный", которые используются здесь, являются относительными и касаются расстояния, измеренного вдоль ствола скважины вглубь от поверхности, которое в наклонных или горизонтальных скважинах может или нет совпадать с вертикальной проекцией, измеренной по отношению к данным наблюдений.

На фиг.1 изображена нефтяная скважина 10 согласно настоящему изобретению. Нефтяная скважина 10 включает ствол 11 скважины, проходящий с поверхности 12 в эксплуатационную зону 14, расположенную в скважине. Эксплуатационная платформа 20 расположена на поверхности 12 и включает подвеску 22 для поддержки обсадной колонны 24 и колонны 26 насосно-компрессорных труб. Тип обсадной колонны 24 является таким, который обычно используется в нефтегазовой промышленности. Обсадную колонну 24 обычно устанавливают в секции и цементируют в стволе 11 скважины во время завершенияскважины. Колонна 26 насосно-компрессорных труб, которая также называется эксплуатационной насосно-компрессорной колонной, в общем, известна и содержит множество удлиненных трубчатых секций трубы, соединенных с помощью резьбовых соединений на каждом конце секций трубы. Эксплуатационная платформа 20 также включает дроссельный клапан 30 для подачи газа, который позволяет подавать сжатый газ в кольцевое пространство 31 между обсадной колонной 24 и колонной 26 насосно-компрессорных труб. И, наоборот, выходной клапан 32 позволяет выводить нефть и пузырьки газа из внутренней части колонны 26 насосно-компрессорных труб во время добычи нефти.

Нефтяная скважина 10 включает систему 34 связи для подачи питания и двухсторонней связи в местоположении скважины в буровой скважине 10. Система 34 связи включает нижний индукционный дроссель 42, который установлен на колонне 26 насосно-компрессорных труб и действует как последовательное полное сопротивление для протекающего электрического тока. Размер и материал нижнего индукционного дросселя 42 можно изменять для изменения значения последовательного полного сопротивления, однако нижний индукционный дроссель 42 изготовлен из ферромагнитного материала. Индукционный дроссель 42 установлен концентрически и снаружи колонны 26 насосно-компрессорных труб и обычно пропитывается эпоксидной смолой для того, чтобы противостоять небрежному обращению.

Изолирующая соединительная муфта 40 для насосно-компрессорных труб (которая также называется электроизоляционной муфтой) размещена на колонне 26 насосно-компрессорных труб рядом с поверхностью буровой скважины. Изолирующая соединительная муфта 40 для насосно-компрессорных труб наряду с нижним индукционным дросселем 42 обеспечивает электрическую изоляцию для участка колонны 26 насосно-компрессорных труб, расположенной между изолирующей соединительной муфтой 40 для насосно-компрессорных труб и индукционным дросселем 42. Участок колонны 26 насосно-компрессорных труб, расположенный между изолирующей соединительной муфтой 40 для насосно-компрессорных труб и индукционным дросселем 42, можно рассматривать как путь для подачи питания и сигналов связи. В альтернативе или в дополнение к изолирующей соединительной муфте 40 для насосно-компрессорных труб верхний индукционный дроссель (не показан) можно разместить вокруг колонны 26 насосно-компрессорных труб или можно использовать изолирующую подвеску насосно-компрессорных труб (не показана).

Блок 44 компьютера и источника питания, включающий источник 46 питания и устройство 48 связи с расширенным спектром (например, модем), расположен снаружи ствола 11 скважины на поверхности 12. Блок 44 компьютера и источника питания электрически подсоединен к колонне 26 насосно-компрессорных труб ниже изолирующей соединительной муфты 40 для насосно-компрессорных труб для подачи тока, изменяющегося во времени, в колонну 26 насосно-компрессорных труб. Цепь обратного тока для обеспечения питания подводится к обсадной колонне 24. В процессе работы колонна 26 насосно-компрессорных труб, используемая в качестве проводника, обладает довольно большими потерями из-за большой длины, встречающейся часто на практике, колонны насосно-компрессорных труб, вдоль которой подается ток. Однако метод связи с расширенным спектром допускает наличие шумов и низкие уровни сигнала и может эффективно работать даже при высоких потерях -100 дБ.

Способ электрической изоляции участка колонны насосно-компрессорных труб, который изображен на фиг.1, не является единственным способом подачи питания и сигналов связи в скважинное местоположение. В предпочтительном варианте осуществления (фиг.1) питание и сигналы связи подают на колонну 26 насосно-компрессорных труб, при этом цепь обратного тока обеспечивается с помощью обсадной колонны 24. Кроме того, цепь обратного тока можно выполнить с помощью заземления. Электрическое подсоединение к "земле" можно выполнить путем пропускания провода через обсадную колонну 24 или подсоединения провода к колонне насосно-компрессорных труб ниже нижнего дросселя 42 (если нижняя часть колонны насосно-компрессорных труб была заземлена).

Альтернативный путь подачи питания и сигналов связи можно выполнить с помощью обсадной колонны 24. В конфигурации, подобной той, которая используется в колонне 26 насосно-компрессорных труб, часть обсадной колонны 24 может быть электрически изолирована для обеспечения телеметрической магистральной сети для подачи питания и передачи сигналов связи в скважине. Если бы индукционные дроссели использовались для изоляции части обсадной колонны 24, дроссели располагались бы концентрически вокруг внешней стороны обсадной колонны. Вместо использования дросселей с обсадной колонной 24 можно использовать электрически изолирующие соединители, подобные изолирующей соединительной муфте 40 для насосно-компрессорных труб. В вариантах осуществления, в которых используется обсадная колонна 24 для подачи питания и сигналов связи в скважину, цепь обратного тока можно выполнить через колонну 26 насосно-компрессорных труб или через грунтовое заземление.

Пакер 49 размещен внутри обсадной колонны 24 ниже нижнего индукционного дросселя 42. Пакер 49 расположен выше эксплуатационной зоны 14 и служит для изоляции эксплуатационной зоны 14 и для электрического подсоединения металлической колонны 26 насосно-компрессорных труб к металлической обсадной колонне 24. Как правило, электрические соединения между колонной 26 насосно-компрессорных труб и обсадной колонной 24 не позволяют передавать электрические сигналы или принимать их вверх и вниз по стволу 11 скважины с использованием колонны 26 насосно-компрессорных труб в качестве одного проводника и обсадной колонны 24 в качестве другого проводника. Однако комбинация изолирующей соединительной муфты 40 для насосно-компрессорных труб и нижнего индукционного дросселя 42 образует электрически изолированный участок колонны 26 насосно-компрессорных труб, что позволяет выполнить систему и способ подачи питания и сигналов связи вверх и вниз по буровой скважине 11 нефтяной скважины 10.

На фиг.2 изображена морская нефтяная скважина 60.

Нефтяная скважина 60 включает эксплуатационную платформу 62 на поверхности 63 воды, поставленную на якорь на земляном дне 64 с элементами 66 поддержки. Нефтяная скважина 60 имеет многочисленные сходства с нефтяной скважиной 10 (фиг.1). Ствол 11 скважины 60 начинается на дне 64. Обсадная колонна 24 размещена в стволе 11 скважины, и подвеска 22 насосно-компрессорной колонны обеспечивает скважинную поддержку колонны 26 насосно-компрессорных труб. Одним из основных отличий между нефтяной скважиной 10 и нефтяной скважиной 60 является то, что колонна 26 насосно-компрессорных труб в нефтяной скважине 60 проходит через воду 67 перед ее достижением стволом 11 скважины.

Индукционный дроссель 42 размещен на колонне 26 насосно-компрессорных труб немного выше устья 68 скважины на дне 64. Изолирующая соединительная муфта для насосно-компрессорных труб (подобна изолирующей соединительной муфте 40 для насосно-компрессорных труб, но не показана) выполнена в части колонны 26 насосно-компрессорных труб на эксплуатационной платформе 62. Ток, изменяющийся во времени, подается в участок колонны 26 насосно-компрессорных труб между изолирующей соединительной муфтой для насосно-компрессорных труб и индукционным дросселем 42 для обеспечения питания и связи в устье 68 скважины.

Специалистам будет ясно, что при нормальных условиях короткозамкнутая цепь будет возникать для тока, который проходит вдоль колонны 26 насосно-компрессорных труб, так как колонна насосно-компрессорных труб окружена электропроводной морской водой. Однако антикоррозийное покрытие на колонне 26 насосно-компрессорных труб обычно является непроводящим и образует электроизоляционную "оболочку" вокруг колонны насосно-компрессорных труб, таким образом обеспечивая протекание тока даже в случае, когда колонна 26 насосно-компрессорных труб погружена в воду. В альтернативном размещении питание можно подать в устье 68 скважины с помощью изолированного кабеля (не показан) и затем подать в скважину тем же самым способом, выполненным в нефтяной скважине 10. При таком размещении изолирующая соединительная муфта для насосно-компрессорных труб и индукционный дроссель 42 будут размещаться в стволе 11 нефтяной скважины 60.

Как показано на фиг.2, а также на фиг.1 и 3, гидравлическая система 70 обеспечивает работу скважинного устройства или целевого устройства (не показано). Гидравлическая система 70 расположена внутри расширенного коллектора 72 на колонне 26 насосно-компрессорных труб. На фиг.3 скважинным устройством является отсечной клапан 74, однако гидравлическая система 70 позволяет приводить в действие множество различных скважинных устройств. Отсечной клапан 74 последовательно приводится в действие с помощью рабочей жидкости для гидравлической системы, давление которой повышается с помощью насоса 76. Электродвигатель 78 включается с помощью тока, изменяющегося во времени, который подается вдоль колонны 26 насосно-компрессорных труб. Электродвигатель 78 в рабочем состоянии подсоединен к насосу 76 для запуска насоса 76. Электродвигатель 78, приводящий в действие гидравлический насос 76, имеет маленькую потребляемую мощность, поэтому он может работать с ограниченным питанием, которое доступно на глубине в скважине. При соответствующей конструкции гидравлического насоса 76 и других элементов гидравлической системы 70, особенно в конструкции уплотнителей, которые минимизируют утечку рабочей жидкости для гидравлической системы в этих элементах, низкая величина имеющегося питания не ограничивает гидравлическое давление, которое может быть получено, а скорее ограничивает скорость потока рабочей жидкости для гидравлической системы.

На фиг.4 изображены более подробно трубопроводные и электрические соединения для гидравлической системы 70. Кроме насоса 76 и электродвигателя 78 гидравлическая система 70 включает питательный бачок 80, вспомогательный клапан 82, привод 84 клапана и необходимый трубопровод и аппаратные средства для подачи рабочей жидкости между этими элементами. Бачок 80 гидравлически подсоединен к насосу 76 для подачи рабочей жидкости в насос 76. Вспомогательный клапан 82 гидравлически подсоединен к насосу 76, приводу 84 и бачку 80. Вспомогательный клапан 82 выборочно направляет рабочую жидкость под давлением в привод 84 для приведения в действие привода 84. Привод 84 включает поршень 86, имеющий первую сторону 87 и вторую сторону 88. Поршень 86 в рабочем состоянии подсоединен к клапану 74 для открывания и закрывания клапана 74. При выборочном направлении рабочей жидкости под давлением на разные стороны поршня 86 клапан 74 может выборочно открываться или закрываться. Например, в одной конфигурации рабочую жидкость можно направить в камеру чуть выше первой стороны 87 поршня 86. Флюид под давлением будет оказывать усилие на поршень 86, заставляя поршень 86 перемещаться вниз, таким образом закрывая клапан 74. Флюид в камере, расположенной рядом со второй стороной 88 поршня 86, будет перемещаться в бачок 80. В этой конфигурации клапан 74 может открываться за счет регулировки вспомогательного клапана 82 так, чтобы рабочая жидкость под давлением подавалась в камеру, расположенную рядом со второй стороной 88 поршня 86. Флюид под давлением будет давить вверх на поршень 86, таким образом перемещая поршень 86 вверх и открывая клапан 74. Вытесняемая рабочая жидкость в камере, расположенной рядом с передней стороной 87, будет направляться в бачок 80.

Как упомянуто ранее, электрический ток подается в электродвигатель 78 вдоль колонны 26 насосно-компрессорных труб. Модем 89 размещен внутри расширенного коллектора 72 для приема сигналов из модема 48 на поверхность 12. Модем 89 электрически подсоединен к контроллеру 90 для управления работой электродвигателя 78. Контроллер 90 также электрически подсоединен к вспомогательному клапану 82 для управления работой вспомогательного клапана, таким образом гарантируя правильную работу клапана, который направляет рабочую жидкость из насоса 76 в привод 84 и бачок 80.

В процессе работы электрический ток подается в скважину вдоль колонны 26 насосно-компрессорных труб в модем 89. Контроллер 90 принимает команды из модема 89 и направляет питание в электродвигатель 78. Контроллер 90 также устанавливает параметры настройки для вспомогательного клапана 82 с тем, чтобы рабочая жидкость правильно направлялась по всей гидравлической системе 70. После включения электродвигателя 78 он приводит в действие насос 76, который выводит рабочую жидкость под давлением из бачка 80. Насос 76 оказывает давление на рабочую жидкость, проталкивая флюид во вспомогательный клапан 82. Из вспомогательного клапана 82 рабочая жидкость под давлением выборочно направляется к одной стороне поршня 86 для приведения в действие привода 84. В зависимости от стороны поршня 86, к которой был подан флюид, клапан 74 будет открываться или закрываться. При перемещении поршня 86 вытесняемая рабочая жидкость направляется из привода 84 в бачок 80.

Гидравлическая система 70 может также включать компенсатор 92 давления в забое скважины (фиг.3) для уравнивания статического давления замкнутого потока рабочей жидкости для гидравлической системы со статическим давлением скважинных флюидов в буровой скважине. Использование компенсатора давления минимизирует дифференциальное давление с противоположных сторон любых вращающихся или скользящих уплотнителей между гидравлическим контуром и флюидами буровой скважины, если эти уплотнители присутствуют в конструкции, и таким образом минимизируют механическое напряжение на таких уплотнителях.

При заполнении нефтью расширенного коллектора 72 давление в нем уравновешивается давлением любого флюида, присутствующего в кольцевом пространстве 31. Перенося одну сторону компенсатора давления 92 на внешнюю сторону коллектора 72, давление нефти внутри расширенного коллектора 72 может совпадать с давлением флюида внутри кольцевого пространства 31. Регулировка давления внутри коллектора позволяет обеспечить более эффективную работу многих из элементов гидравлической системы 70.

На фиг.5 и 6 изображен дополнительный вариант осуществления гидравлической системы 70. Элементы этой гидравлической системы по существу подобны тем, которые изображены на фиг.3 и 4. Однако в этом конкретном варианте осуществления гидроаккумулятор 96 гидравлически связан между насосом 76 и вспомогательным клапаном 82 для сбора рабочей жидкости повышенного давления для гидравлической системы, подаваемой насосом 76. Управление гидравлической системой 70 идентично описанному ранее за исключением того, что гидроаккумулятор 96 теперь используется для подачи рабочей жидкости повышенного давления для гидравлической системы в привод 84. Гидроаккумулятор 96 позволяет периодически выполнять незамедлительно гидравлические операции (например, быстрое открытие или закрытие клапана). В этом состоит отличие от предыдущего варианта осуществления, в котором использовался насос для постепенной подачи рабочей жидкости повышенного давления для гидравлической системы в привод 84.

Гидроаккумулятор 96 включает поршень 98, плотно расположенный с возможностью скольжения внутри корпуса и смещаемый в одном направлении с помощью пружины 100. Отверстие 102 компенсатора расположено в корпусе и позволяет нефти под давлением внутри расширенного коллектора 72 оказывать дополнительное усилие на поршень 98, которое добавляется к усилию, которое создает пружина 100. Электродвигатель 78 и насос 76 создают в гидроаккумуляторе 96 высокое давление за счет подачи рабочей жидкости повышенного давления для гидравлической системы в главную камеру 104 напротив смещенного поршня 98. Когда усилие, оказываемое рабочим флюидом гидросистемы внутри главной камеры 104, равняется усилиям на противоположной стороне поршня 98, насос 76 прекращает работу, и рабочая жидкость гидросистемы накапливается внутри гидроаккумулятора 96 до тех пор, пока это необходимо.

Накопленную рабочую жидкость гидросистемы повышенного давления выпускают под управлением вспомогательного клапана 82 для того, чтобы запустить привод 84 и таким образом привести в действие главный клапан 74. Благодаря энергии, накопленной в гидроаккумуляторе 96, клапан 74 может открываться или закрываться сразу после поступления команды на открывание или закрывание. Размер гидроаккумулятора 96 выбирается таким, чтобы обеспечить, по меньшей мере, один полный цикл (открытие или закрытие) клапана 74. Таким образом, способы настоящего изобретения предусматривают успешную работу клапанов, для которых требуется кратковременное питание высокой мощности, таких как подповерхностные предохранительные клапаны.

Ясно, что разнообразные гидравлические устройства можно заменить на запорный клапан 74, который был описан только в иллюстративных целях. Должно быть также ясно, что система 34 связи и гидравлическая система 70, выполненные с помощью настоящего изобретения, хотя и расположены на колонне 26 насосно-компрессорных труб в предыдущем описании, могут быть расположены на обсадной колонне 24 буровой скважины или на любой другой трубопроводной структуре, связанной с буровой скважиной.

Даже при том, что многие из примеров, обсужденных здесь, являются применениями настоящего изобретения в нефтяных скважинах, настоящее изобретение можно также применять и в других типах скважин, включающих в себя, но не ограничивающих, водозаборные скважины и скважины для добычи природного газа.

Специалистам будет ясно, что настоящее изобретение может применяться во многих зонах, где существует потребность в системе связи и гидравлической системе внутри ствола скважины, буровой скважины или любой другой труднодоступной зоне. Кроме того, специалистам будет ясно, что настоящее изобретение может применяться во многих зонах, где уже имеется проводящая трубопроводная структура и потребность в выборе направления подачи питания и сигналов связи в гидравлическую систему, расположенную вблизи трубопроводной структуры. Водяная спринклерная система или сеть в здании для тушения пожаров является примером трубопроводной структуры, которая уже существует и может быть подобным или похожим путем, который необходим для выбора направления пути подачи питания и сигналов связи в гидравлическую систему. В этом случае в качестве цепи обратного тока можно использовать другую трубопроводную структуру или другую часть той же самой трубопроводной структуры. Стальную структуру здания можно также использовать в качестве трубопроводной структуры и/или цепи обратного тока для подачи питания и передачи сигналов связи в гидравлическую систему согласно настоящему изобретению. Стальную арматуру в бетонной дамбе или на улице можно использовать в качестве трубопроводной структуры и/или цепи обратного тока для подачи питания и передачи сигналов связи в гидравлическую систему согласно настоящему изобретению. Линии передачи и сеть трубопроводов между скважинами или сквозь большие отрезки земли можно использовать в качестве трубопроводной структуры и/или цепи обратного тока для подачи питания и передачи сигналов связи в гидравлическую систему согласно настоящему изобретению. Поверхностные сети нефтепроводов для нефтеперерабатывающего завода можно использовать в качестве трубопроводной структуры и/или цепи обратного тока для подачи питания и передачи сигналов связи в гидравлическую систему согласно настоящему изобретению. Таким образом, существуют многочисленные приложения настоящего изобретения во многих различных сферах или областях применения.

Из вышесказанного ясно, что выполнено изобретение, имеющее значительные преимущества. Хотя изобретение показано только в нескольких своих формах, оно не ограничено и восприимчиво к различным изменениям и модификациям без отклонения от своей сущности.

Реферат

Изобретения относятся к эксплуатации нефтяных скважин и могут быть использованы для подачи питания и сигналов связи в скважинное устройство. Нефтяная скважина имеет ствол с размещенной в нем трубопроводной структурой. Имеются система связи, осуществляющая передачу изменяющегося во времени сигнала вдоль трубопроводной структуры, и гидравлическая система, электрически подсоединенная к трубопроводной структуре, приспособленная для подсоединения к скважинному устройству приема питания из сигнала и управления скважинным устройством. Система связи также содержит устройство полного сопротивления, размещенное вокруг трубопроводной структуры, для образования проводящего участка, в котором обеспечивается препятствие прохождению сигнала, представляющего собой ток. Для управления скважинным устройством повышают давление рабочей жидкости, используя ток. Система гидравлического привода содержит электродвигатель для приема указанного сигнала, приводящий в действие насос для повышения давления рабочей жидкости. К насосу подсоединен привод, приводимый в действие посредством рабочей жидкости и приспособленный для крепления в рабочем состоянии к скважинному устройству для управления им. Сигнал может содержать сигнал связи для выборочного управления скважинным устройством, в частности клапаном. Изобретения позволяют уменьшить потери электрической мощности при передаче сигналов управления скважинному устройству. 3 н. и 23 з.п.ф-лы, 6 ил.

Формула