интеллектуальная внутрискважинная клапанная система для управления извлечением флюидов из нескольких интервалов скважины и способ управления таким извлечением флюидов

Формула изобретения

1. Система регулирования дебита скважины, содержащая несколько трубчатых элементов, расположенных один в другом с образованием по меньшей мере одного центрального канала и по меньшей мере двух кольцевых каналов с возможностью направления потоков флюидов из разных интервалов в разные концентрические каналы, а также клапаны, выполненные с возможностью управления потоком флюида из каждого из каналов, отличающаяся тем, что клапаны размещены в стволе скважины с обеспечением возможности раздельного перемещения указанных потоков флюидов через концентрические каналы и дальнейшего избирательного смешивания потоков флюидов из всех каналов.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что с каждым каналом связан по меньшей мере один клапан.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что каждый клапан имеет отдельный привод.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит по меньшей мере один контроллер и по меньшей мере один датчик, функционально связанный с контроллером.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что контроллер выполнен с возможностью автоматического управления по меньшей мере одним клапаном в соответствии с информацией, полученной от по меньшей мере одного датчика.

6. Устройство для извлечения флюидов в скважине, содержащее несколько трубчатых элементов, расположенных один в другом и соединенных друг с другом с образованием по меньшей мере одного центрального канала и по меньшей мере двух кольцевых каналов с возможностью направления потоков флюидов из разных интервалов в разные концентрические каналы, причем с каждым из каналов связан клапан, выполненный с возможностью независимого управления потоком флюида из соответствующего канала, отличающееся тем, что клапаны размещены в стволе скважины с обеспечением возможности раздельного перемещения указанных потоков флюидов через концентрические каналы и дальнейшего избирательного смешивания потоков флюидов из всех каналов.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере один датчик.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что датчик предназначен для измерения по меньшей мере одного параметра добываемого флюида.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что измеряемый параметр выбран из группы, включающей давление, температуру, химический состав, содержание воды, рН, содержание твердых частиц, склонных к образованию твердого осадка, и удельное сопротивление.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит контроллер.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что контроллер расположен в стволе скважины.

12. Способ управления извлечением флюидов из нескольких интервалов скважины, заключающийся в том, что потоки флюидов из разных интервалов направляют в отдельные концентрические каналы, образованные расположенными один в другом трубчатыми элементами с возможностью направления потоков флюидов из разных интервалов в разные концентрические каналы, и избирательно извлекают флюиды, поступающие из нескольких интервалов, отличающийся тем, что избирательное извлечение флюидов осуществляют посредством установки в закрытое положение или в одно из множества открытых положений клапанов, связанных с соответствующим каналом и размещенных в стволе скважины с обеспечением возможности раздельного перемещения указанных потоков флюидов через концентрические каналы и дальнейшего избирательного смешивания потоков флюидов из всех каналов.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что для определения заданного рабочего состояния клапана измеряют параметры флюида.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что для поддержания заданного режима предусмотрено автоматическое управление по меньшей мере одним клапаном.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к добыче полезных ископаемых из скважин на нескольких горизонтах, а более конкретно, к системе регулирования дебита скважины, содержащей трубчатые элементы, расположенные один в другом с образованием концентрических каналов для направления потоков флюидов из разных интервалов, и устройству для извлечения флюидов из такой скважины, а также к способу управления извлечением флюидов из нескольких интервалов скважины.

При разработке месторождений нефти и других углеводородов раньше бурилась примерно вертикальная скважина, и любые включения флюидов, встречавшиеся на ее пути, поднимались на поверхность. В таких включениях обычно содержатся различные фазы добываемых углеводородов, вода и другие жидкости или газы. Во многих случаях требуется добывать только один из компонентов пластового резервуара, а разделение смеси извлеченных флюидов на отдельные компоненты обходится дорого и требует дополнительного времени. Для того чтобы исключить необходимость в разделении смеси добываемых флюидов на отдельные компоненты, было предложено делить продуктивные интервалы разреза скважины на более короткие участки. Сделать это можно самыми разными способами, в том числе с помощью гравийной набивки и герметизации различных участков. После сооружения в скважине гравийного фильтра флюиды могут попасть в ствол скважины только через перфорированную опорную трубу, расположенную на определенном участке скважины, где из вмещающей породы в скважину поступают вышеупомянутые флюиды. Одной из проблем, связанных с управлением добычей из таких отдельных интервалов, является то, что наличие гравийной набивки (или другого скважинного устройства) приводит к уменьшению внутреннего диаметра колонны насосно-компрессорных труб, что усложняет установку в этом месте регулирующего клапана. Уже долгое время число клапанов, которые можно установить выше гравийной набивки, ограничивается двумя ввиду отсутствия возможностей управления добычей из большего числа интервалов при помощи клапанов, установленных выше гравийной набивки.

В патенте US 2905099 предлагается система регулирования дебита скважины, содержащей трубчатые элементы, расположенные один в другом с образованием концентрических каналов для направления потоков флюидов из разных интервалов, в которой клапаны расположены на поверхности, что усложняет и увеличивает наземную компоновку и во многих случаях может быть неприемлемым.

В настоящем изобретении предлагается использовать систему концентрических каналов с раздельным перемещением потоков флюидов через концентрические каналы до клапанов и последующим смешиванием внутри скважины. Такое решение обеспечивает эффективное селективное регулирование выхода каждого из флюидов, добываемых из большого числа интервалов, до его смешивания внутри скважины с другими флюидами, без существенного усложнения и увеличения наземной и подземной компоновок и с возможностью осуществления регулирование посредством клапанов, устанавливаемых внутри скважины выше гравийной набивки.

Более конкретно, в настоящем изобретении предлагается система регулирования дебита скважины, содержащая несколько трубчатых элементов, расположенных один в другом с образованием по меньшей мере одного центрального канала и по меньшей мере двух кольцевых каналов с возможностью направления потоков флюидов из разных интервалов в разные концентрические каналы, а также клапаны, выполненные с возможностью управления потоком флюида из каждого из каналов. В соответствии с изобретением клапаны размещены в стволе скважины с обеспечением возможности раздельного перемещения указанных потоков флюидов через концентрические каналы и дальнейшего избирательного смешивания потоков флюидов из всех каналов.

В предпочтительных вариантах выполнения с каждым каналом связан по меньшей мере один клапан, имеющий отдельный привод.

Система может дополнительно содержать по меньшей мере один контроллер и по меньшей мере один датчик, функционально связанный с контроллером, который выполнен с возможностью автоматического управления по меньшей мере одним клапаном в соответствии с информацией, полученной от по меньшей мере одного датчика.

В изобретении также предлагается устройство для извлечения флюидов в скважине, содержащее несколько описанных выше трубчатых элементов и размещенных в стволе скважине клапанов.

В предпочтительных вариантах выполнения такое устройство содержит по меньшей мере один датчик, предназначенный для измерения по меньшей мере одного параметра добываемого флюида. Измеряемый параметр может быть выбран из группы, включающей давление, температуру, химический состав, содержание воды, рН, содержание твердых частиц, склонность к образованию твердого осадка и удельное сопротивление.

Кроме того, предлагается способ управления извлечением флюидов из нескольких интервалов скважины, заключающийся в том, что потоки флюидов из разных интервалов направляют в отдельные концентрические каналы, образованные расположенными один в другом трубчатыми элементами с возможностью направления потоков флюидов из разных интервалов в разные концентрические каналы, и избирательно извлекают флюиды, поступающие из нескольких интервалов. В соответствии с изобретением избирательное извлечение флюидов осуществляют посредством установки в закрытое положение или в одно из множества открытых положений клапанов, связанных с соответствующим каналом и размещенных в стволе скважины с обеспечением возможности раздельного перемещения указанных потоков флюидов через концентрические каналы и дальнейшего избирательного смешивания потоков флюидов из всех каналов.

В предпочтительных вариантах осуществления для определения заданного рабочего состояния клапана измеряют параметры флюида, причем для поддержания заданного режима предусмотрено автоматическое управление по меньшей мере одним клапаном.

Далее описание примера осуществления изобретения сопровождается чертежом, на котором в разрезе представлена предлагаемая интеллектуальная внутрискважинная клапанная система для управления извлечением флюидов из нескольких интервалов скважины.

На прилагаемом чертеже представлена предлагаемая в изобретении интеллектуальная внутрискважинная клапанная система 10 управления извлечением флюидов из нескольких интервалов скважины (т.е. система регулирования дебита скважины). На этом чертеже изображено оборудование скважины, где позицией 12 обозначен участок обсадной трубы. Ниже обсадной трубы расположены три разных продуктивных интервала 14, 16 и 18, также называемые продуктивными зонами скважины. Каждый из этих интервалов обозначен на чертеже схематически. Продуктивные интервалы ограничены пакерами 20, 22 и 24 и отдельными фильтрами 26, 28 и 30, хотя следует иметь в виду, что отдельные фильтры можно заменить общим удлиненным фильтром без изменения функциональности устройства. Внутри фильтров проходят две трубы 32 и 34 разной длины. Труба 32, диаметр которой меньше диаметра трубы 34, опущена в скважину на большую глубину, чем труба 34. Труба 34 снабжена кольцевым пакером 36, расположенным внутри пакера 20. Труба 32 снабжена кольцевым пакером 38, расположенным внутри пакера 22. Как показано на чертеже, при такой конструкции устройства в стволе скважины образуются три разных канала для отвода извлекаемых флюидов. Флюид, поступающий из интервала 14, поднимается вверх по внутреннему отверстию трубы 32. Флюид, поступающий из интервала 16, движется по кольцевому каналу между трубами 32 и 34, а флюид из интервала 18 движется в кольцевом канале, ограниченном трубой 34 и фильтром 30. За счет такого разделения флюидов каждый флюид, поступающий в скважину из соответствующего интервала, попадает в обсаженную часть 12 скважины отдельно от других флюидов. Эта конструкция скважины позволяет регулировать выход каждого добываемого флюида до его смешивания с другими флюидами.

Для управления потоками всех трех флюидов, в частности, регулирования их расхода, в обсаженной части 12 скважины установлены три отдельных клапана. Снаружи труба 34 закрыта кожухом 42, расширяющимся радиально от уплотнения 40. Кожух 42 предусмотрен для изолирования флюида, добываемого из интервала 18, от флюидов, добываемых из интервалов 16 и 14. Добываемые из зон 14 и 16 флюиды до открытия клапана 44 (установленного на трубе 34) и клапана 46 (установленного на трубе 32) не попадают внутрь кожуха 42 и не перемешиваются друг с другом. Расположенный внутри кожуха 42 на трубе 34 клапан 44 предназначен для регулирования расхода флюида через трубу 34. Труба 32 проходит внутри клапана 44 и доходит до клапана 46, который регулирует расход флюида, отбираемого из интервала 14 по трубе 32. Когда клапаны 44 и 46 открыты, отбираемые из пласта флюиды проходят внутрь кожуха 42 и далее через перфорированную трубу 48 (или, при необходимости, клапан). В трубе 32 непосредственно над клапаном 46 установлена пробка 49, блокирующая движение флюида по трубе 32. При отсутствии пробки 49 труба 32 переходила бы в насосно-компрессорную колонну 50 скважины.

Флюид, который через перфорированную трубу 48 попадает в эксплуатационную насосно-компрессорную колонну 50, продолжает движение вверх по скважине. Флюид, поступивший из интервала 18 и движущийся по кольцевой полости, ограниченной внутри кожухом 42, а снаружи - частью обсадной трубы 12, проходит через клапан 52, если тот открыт, и смешивается с флюидом, прошедшим через перфорированную трубу 48. Очевидным образом, клапан 44 пропускает или запирает поток флюида из интервала 16, клапан 46 пропускает или запирает поток флюида из интервала 14, а клапан 52 пропускает или запирает поток флюида из интервала 18. Рассмотренные выше средства составляют устройство управления извлечением флюидов из нескольких интервалов, в котором клапаны расположены внутри обсадной трубы большего диаметра выше интервала гравийной набивки. Управляющий работой скважины оператор может избирательно закрывать любой или все клапаны 44, 46 и 52 в любом сочетании для извлечения флюидов в любой комбинации, в том числе получения потока одного флюида, потоков нескольких или всех флюидов, поступающих из вмещающей породы, или же полного прекращения добычи. Для работы описанных выше клапанов можно использовать гидравлический, пневматический, электрический или механический привод, с использованием всех или некоторых из рассмотренных выше средств, под управлением с поверхности или под управлением интеллектуальных систем, расположенных в скважине или на поверхности земли. При использовании интеллектуальных систем заканчивания скважин в каждом продуктивном интервале и на участке каждого клапана устанавливается по меньшей мере один датчик (датчики схематично изображены на чертеже и обозначены позициями 60, 62 и 64), предназначенный для измерения таких параметров, как давление, температура, химический состав, содержание воды, рН, содержание твердых частиц, склонность к образованию твердого осадка и удельное сопротивление и другие, которые могут контролироваться наземным обслуживающим персоналом скважины или по меньшей мере одним контроллером, в частности наземным или скважинным контроллером или же обоими такими контроллерами (на чертеже схематически обозначены наземный или скважинный контроллеры функционально связанные с датчиками и клапанами), осуществляющими надлежащее изменение рабочего состояния клапанов для добычи требуемых флюидов. Использование контроллеров, работающих по соответствующим программам, делает возможным и целесообразным автоматическое регулирование рабочего состояния клапанов. Следует также отметить, что для каждого клапана предполагается работа от регулируемого привода, что позволит создавать разность давлений между интервалами и тем самым предотвращать прорыв воды в скважину, поддерживая дебит скважины на оптимальном уровне.

Очевидно, что рассмотренные выше система и устройство также представляют собой средства осуществления способа управления извлечением флюидов из нескольких интервалов скважины, что в некоторых случаях, например, при добыче флюидов из нескольких интервалов с использованием гравийных фильтров, до сих пор было затруднительно, если вообще возможно, реализовать. Предлагаемый в изобретении способ в сочетании с рассмотренным устройством предусматривает направление потоков флюидов из разных интервалов в рассмотренные выше концентрические каналы. Потоки флюидов движутся раздельно до тех пор, пока не достигнут местоположения, в котором они могут пройти через соответствующий клапан или клапаны, что позволяет осуществлять управление потоками. Предлагаемый способ также предусматривает возможность измерения параметров флюида в определенном месте канала, расположенном выше конструкции клапана по потоку флюида, что позволяет оператору или контроллеру определять, оставить ли конкретный клапан закрытым или открыть его в зависимости от того, существует ли необходимость добычи соответствующего флюида. Заложив по меньшей мере в один контроллер соответствующую программу, данный процесс можно автоматизировать.

Рассмотренные выше предпочтительные варианты изобретения не исключают возможности внесения в них различных изменений и усовершенствований, не выходящих за пределы объема изобретения и не искажающих его основную идею. Иными словами, приведенное выше описание и приложенный к нему чертеж лишь иллюстрируют изобретение, но не ограничивают его объем.