Спосіб керування потоком та самокеровний клапан або пристрій керування потоком

1. Спосіб самокеровного регулювання потоку текучого середовища за допомогою клапана або пристрою (2) керування потоком, зокрема з можливістю керування потоком текучого середовища, тобто нафти та/або газу, яке містить воду у будьякому вигляді, з пласта-колектора у експлуатаційну колону свердловини у пласті-колекторі нафти та/або газу, причому експлуатаційна колона має розташовану знизу дренажну трубу, яка за варіантом, якому віддається перевага, розділена на щонайменше дві секції (1), кожна з яких включає в себе один або більше пристроїв (2) керування припливом текучого середовища, які з'єднують геологічну продуктивну формацію з проточним простором дренажної труби, який відрізняється тим, що текуче середовище тече через вхідний отвір або вікно (10), утворюючи через пристрій (2) керування потік (11), який обтікає рухомий диск або елемент (9), виконаний з можливістю вільного пересування відносно вхідного отвору, таким чином зменшуючи або збільшуючи площу (А2) перерізу потоку з використанням ефекту Бернуллі та будь-якого тиску гальмування, утвореного на дискові (9), за рахунок чого пристрій керування залежно від складу текучого середовища та його властивостей самокеровно регулює потік текучого середовища завдяки заздалегідь визначеній конструкції проточної частини. 2. Спосіб по п. 1, який відрізняється тим, що текуче середовище складається з одного або більше газів та/або однієї або більше рідин. 2 (19) 1 3 94109 4 ричний сегмент (5) та внутрішній циліндричний сегмент (6), центральний отвір або вікно (10), другий дископодібний елемент (7) із зовнішнім циліндричним сегментом (8) та по суті плоский диск (9), встановлений між першим (4) та другим (7) дископодібними елементами, причому циліндричний сегмент (8) другого дископодібного елемента (7) розташований усередині та виступає у протилежному напрямку відносно зовнішнього циліндричного сегмента (5) першого дископодібного елемента (4), таким чином утворюючи шлях для потоку (11), яким текуче середовище потрапляє у пристрій керування через центральний отвір або вхід (10), тече у напрямку до диска (9), а потім вздовж нього, через кільцевий отвір (12), утворений між циліндричними сегментами (8 та 6), і далі назовні через кільцевий отвір (13), утворений між циліндричними сегментами (8 та 5). 6. Саморегулівний клапан або пристрій керування по п. 4 та п. 5, який відрізняється тим, що включає в себе пружину (18), яка розташована з будь-якого боку диска (9) та з'єднує диск з утримувальним елементом (7, 22), заглибиною (21) або корпусним елементом (4). 7. Саморегулівний клапан або пристрій керування по пп. 4 та 5, який відрізняється тим, що диск з боку, оберненого до отвору (10), споряджений термочутливим пристроєм (20). 8. Саморегулівний клапан або пристрій керування по п. 7, який відрізняється тим, що термочутливий пристрій (20) являє собою біметалевий елемент. Винахід стосується способу саморегулювання (самокеровного регулювання) потоку текучого середовища через клапан або пристрій керування потоком, а також саморегулівного клапана або пристрою керування потоком, зокрема, придатного для встановлення у експлуатаційну колону, призначену для видобування нафти та/або газу зі свердловини у нафтовому та/або газовому пластіколекторі, причому ця експлуатаційна колона має розташовану знизу дренажну трубу, яка за варіантом, якому віддається перевага, розділена на щонайменше дві секції, кожна з яких включає в себе один або більше пристроїв керування припливом текучого середовища, які з'єднують геологічну продуктивну формацію з проточним простором дренажної труби. Пристрої для видобування нафти та газу з довгих, горизонтальних та вертикальних свердловин відомі з публікацій патентів США № 4,821,801, № 4,858,691, № 4,577,691 та публікації патенту Великої Британії № 2169018. Ці відомі пристрої включають в себе перфоровану дренажну трубу, наприклад, із фільтром для затримання піску навколо труби. Значний недолік відомих пристроїв для видобування нафти та/або газу у геологічних формаціях високої проникності полягає у тому, що тиск у дренажній трубі зростає експоненціально у напрямку проти потоку в результаті гідравлічного опору у трубі. Оскільки в результаті різниця тиску між пластом-колектором та дренажною трубою зменшується у напрямку проти потоку, то кількість нафти та/або газу, яка перетікає з пласта-колектора у дренажну трубу, буде зменшуватися відповідно. Таким чином, загальний вихід нафти та/або газу, видобутого цими пристроями, буде низьким. За умов тонких нафтових пластів та високопроникних геологічних формацій додатково виникає висока небезпека утворення конуса, тобто потоку небажаної води або газу у дренажну трубу нижче за потоком, де швидкість потоку нафти з пласта-колектора до труби є найвищою. З видання "World Oil" ("Видобування нафти у світі"), vol. 212, N. 11 (11/91), стор. 73-80, вже відоме розділення дренажної труби на секції з одним або більше пристроями обмеження припливу текучого середовища, такими як ковзні муфти або дросельні пристрої. Однак у цьому джерелі головним чином йдеться про застосування керування припливом текучого середовища, для обмеження швидкості припливу у висхідних ділянках свердловини та таким чином уникнення утворення або зменшення конуса води та/або газу. У документі WO-A-9208875 описана горизонтальна експлуатаційна колона, яка включає в себе множину видобувних секцій, з'єднаних змішувальними камерами, які мають більший внутрішній діаметр, ніж видобувні секції. Видобувні секції мають зовнішній хвостовик із щілиноподібними поздовжніми отворами, який може вважатися таким, що виконує функцію фільтрування. Однак послідовність секцій різного діаметра створює турбулентність потоку та перешкоджає просуванню ремонтних інструментів. Під час видобування нафти та/або газу з геологічних продуктивних формацій текучі середовища різних властивостей, тобто нафта, газ, вода (та пісок) видобуваються у різних кількостях та сумішах залежно від властивостей або якості формації. Жодний з вищезгаданих відомих пристроїв нездатний розрізняти нафту, газ або воду та керувати їхнім потоком, виходячи з їхніх відносних пропорцій та/або властивостей. За цим винаходом створено пристрій керування припливом текучого середовища, який є саморегулівним або самокеровним та може без утруднень бути встановлений у стінці експлуатаційної колони і таким чином уможливити застосування ремонтних інструментів. Пристрій призначений для "розрізнювання" нафти та/або газу та/або води та здатний до керування потоком або припливом нафти або газу, залежно від того, керування потоком якого із цих текучих середовищ потрібно. 5 Пристрій є міцним, може витримувати великі навантаження та високі температури, запобігає зворотним течіям (перепаду тиску), не вимагає жодного живлення енергією, може перешкоджати винесенню піску з пласта в скважину, є надійним, однак в той самий час простим та дуже дешевим. Спосіб за цим винаходом відрізняється тим, що текуче середовище тече через вхідний отвір або вікно, таким чином утворюючи через пристрій керування потік, який обтікає рухомий диск або елемент, виконаний з можливістю вільного пересування відносно вхідного отвору, таким чином зменшуючи або збільшуючи площу перерізу потоку з використанням ефекту Бернуллі та будь-якого тиску гальмування, утвореного на дискові, за рахунок чого пристрій керування залежно від складу текучого середовища та його властивостей самокеровно регулює потік текучого середовища завдяки заздалегідь визначеній конструкції проточної частини, як визначено у відмітній частині п. 1. Саморегулівний клапан або пристрій керування за цим винаходом відрізняється тим, що пристрій керування являє собою виконану окремо або як єдине ціле частину системи керування потоком текучого середовища, яка включає в себе диск або елемент керування, виконаний з можливістю вільного пересування та встановлений у заглибину стінки колони або встановлений у стінку в окремому корпусному елементі, причому диск або елемент керування розташований навпроти виходу вікна або отвору у центрі заглибини або корпусного елемента та утримується на місці у заглибині або корпусному елементі за допомогою утримувального елемента або утримувального засобу, завдяки чому формується потік текучого середовища, яке потрапляє у пристрій керування через центральний отвір або вхід, тече у напрямку до диска або елемента, а потім вздовж нього і далі назовні із заглибини або корпусного елемента, як визначено у відмітній частині незалежного п. 4. Залежні пункти формули: пп. 2-3 та пп. 5-8 визначають варіанти здійснення винаходу, яким віддається перевага. Далі винахід описаний на прикладах із посиланнями на фігури, де: на Фіг. 1 показаний схематичний вид експлуатаційної колони, яка включає в себе пристрій керування за цим винаходом; на Фіг. 2 а) у збільшеному масштабі показаний переріз пристрою керування за цим винаходом, b) показаний вид зверху того самого пристрою; на Фіг. 3 зображено графік, на якому показано залежність витрати через пристрій керування за цим винаходом від різниці тиску у порівнянні з пристроєм керування припливом текучого середовища, який має фіксовану геометрію; на Фіг. 4 показаний пристрій, зображений на Фіг. 2, де показані різні зони тиску, які враховуються при конструюванні пристрою для різних варіантів застосування; на Фіг. 5 показано принципову схему іншого варіанта здійснення пристрою керування за цим винаходом; 94109 6 на Фіг. 6 показано принципову схему третього варіанта здійснення пристрою керування за цим винаходом; на Фіг. 7 показано принципову схему четвертого варіанта здійснення пристрою керування за цим винаходом; на Фіг. 8 показано принципову схему п'ятого варіанта здійснення пристрою керування за цим винаходом, за яким пристрій виконаний як єдине ціле з обладнанням, через яке проходить потік плинної речовини. На Фіг. 1 показано, як вказано вище, секцію експлуатаційної колони 1, у яку встановлений пристрій 2 керування за цим винаходом. За варіантом, якому віддається перевага, пристрій 2 керування має форму круглого відносно плоского диска та може мати зовнішню різь 3 (показану на Фіг. 2) для загвинчування у круглий отвір з відповідною внутрішньою різзю, виконаний у колоні. Шляхом змінювання товщини пристрій 2 можна пристосувати до товщини колони та розташувати у стінці між її зовнішньою та внутрішньою поверхнями. На Фіг. 2 а) та b) показаний пристрій 2 керування у збільшеному масштабі. Пристрій включає в себе перший дископодібний корпусний елемент 4, який має зовнішній циліндричний сегмент 5, внутрішній циліндричний сегмент 6, центральний отвір або вікно 10 та другий дископодібний утримувальний елемент 7 із зовнішнім циліндричним сегментом 8, а також за варіантом, якому віддається перевага, плоский диск або елемент 9, виконаний з можливістю вільного пересування та встановлений у відкритому просторі 14, утвореному між першим дископодібним корпусним елементом 4 та другим дископодібним утримувальним елементом 7. Елемент 9 для певних варіантів застосування та регулювань може мати форму, яка відрізняється від плоскої, та мати частково конічну або напівкруглу форму (наприклад, з боку, оберненого до вікна 10.) Як показано на фігурі, циліндричний сегмент 8 другого дископодібного утримувального елемента 7 розташований усередині та виступає у протилежному напрямку відносно зовнішнього циліндричного сегмента 5 першого дископодібного корпус корпусного елемента 4, таким чином утворюючи шлях для потоку, показаний стрілками 11, яким текуче середовище потрапляє у пристрій керування через центральний отвір або вікно (вхід) 10, тече у напрямку до диска 9, а потім у радіальному напрямку вздовж нього, через кільцевий отвір 12, утворений між циліндричним сегментом 8 та циліндричним сегментом 6, і далі назовні через кільцевий отвір 13, утворений між циліндричним сегментом 8 та циліндричним сегментом 5. Згадані два дископодібні елементи — корпусний елемент 4 та утримувальний елемент 7 — прикріплені один до одного за допомогою гвинтового з'єднання, зварювання або у інші способи (на фігурах не показані) у зоні 15 з'єднання, як показано на Фіг. 2b). Винахід використовує ефект Бернуллі, за яким сума статичного тиску, динамічного тиску та тертя є незмінною вздовж лінії потоку: 7 Коли на диск 9 діє потік текучого середовища, який відповідає умовам експлуатації пристрою за цим винаходом, то перепад тиску на диску 9 може бути виражений таким чином: Завдяки нижчій в'язкості, таке текуче середовище як газ "виконує поворот пізніше" та тече далі вздовж диска у напрямку до його зовнішньої кромки (позначеної позицією 14). Це призводить до утворення вищого тиску гальмування у зоні 16 біля поверхні диска 9, що у свою чергу утворює вищий тиск над диском. Внаслідок цього диск 9, виконаний з можливістю вільного пересування всередині простору між дископодібними корпусним елементом 4 та утримувальним елементом 7, буде пересуватися вниз, таким чином звужуючи прохід між диском 9 та внутрішнім циліндричним сегментом 6. Внаслідок цього диск 9 пересувається вниз або вгору залежно від в'язкості текучого середовища, і цей принцип може бути застосований для керування (закривання/відкривання) потоку текучого середовища через пристрій. Крім того, перепад тиску через відомий пристрій керування припливом текучого середовища (відомий фахівцям як "inflow control device", ICD) з фіксованою геометрією буде пропорційним динамічному тискові: де константа К головним чином є функцією геометрії пристрою та меншою мірою залежить від числа Рейнольдса. В пристрої керування за цим винаходом площа перерізу потоку зменшується, коли різниця тиску зростає, так що витрата через пристрій керування не зростає або майже не зростає, коли перепад тиску зростає. Порівняння між пристроєм керування за цим винаходом з рухомим диском та пристроєм керування з фіксованим отвором для потоку показано на Фіг. 3, на якій видно, що витрата за цим винаходом є незмінною вище певного перепаду тиску. Це являє собою одну з основних переваг винаходу, оскільки цю властивість можна застосувати для того, щоб забезпечити однаковий об'єм, який проходить через кожну секцію усієї горизонтальної свердловини, що неможливо для пристроїв керування припливом текучого середовища, який має фіксовану геометрію. Під час видобування нафти та газу пристрій керування за цим винаходом може мати два різні варіанти застосування: застосування як пристрій керування припливом текучого середовища для зменшення припливу води, або застосування для зменшення припливу газу у ситуаціях прориву газу. При проектуванні пристрою керування за цим винаходом для різних варіантів застосування, таких як вода або газ, як вказано вище, різні геометричні параметри та зони тиску, як показано на Фіг. 4, мають вплив на продуктивність та потік через властивості пристрою. Як показано на Фіг. 4, різні 94109 8 геометричні параметри та зони тиску можуть бути розділені на такі: - A1, Р1 - площа перерізу потоку та тиск відповідно. Зусилля (P1-A1), створене цим тиском, діє на відкривання пристрою керування (пересуває диск 9 вгору). - A2, P2 - площа та тиск у зоні, де швидкість є найбільшою, тобто яка являє собою джерело динамічного тиску. Сумарне зусилля цього динамічного тиску діє на закривання пристрою керування (пересуває диск вниз при збільшенні швидкості потоку). - А3, Р3 - площа та тиск на виході. Тиск має дорівнювати тиску у свердловині (тиск на вході). - А4, P4 - площа та тиск (тиск гальмування) за диском. Цей тиск гальмування у зоні 16 (Фіг. 2) утворює тиск та зусилля за диском, що діє на закривання пристрою керування (пересуває диск вниз). Текучі середовища з різними в'язкостями утворюють різні зусилля у кожній зоні залежно від конструкції цих зон. Для оптимізацїї продуктивності та потоку за допомогою властивостей пристрою керування конструкція цих зон буде різною для різних варіантів застосування, наприклад, потоку газу/нафти або нафти/води. Виходячи з цього, для кожного варіанта застосування зони необхідно ретельно балансувати та оптимально проектувати, беручи до уваги властивості та фізичні умови (в'язкість, температуру, тиск тощо) для конкретних умов проектування. На Фіг. 5 показано принципову схему іншого варіанта здійснення пристрою керування за цим винаходом, який має простішу конструкцію, ніж варіант, показаний на Фіг. 2. Пристрій 2 керування, як і у варіанті, показаному на Фіг. 2, включає в себе перший дископодібний корпусний елемент 4, який має зовнішній циліндричний сегмент 5, центральний отвір або вікно 10, другий дископодібний утримувальний елемент 17, з'єднаний із сегментом 5 корпусного елемента 4, а також за варіантом, якому віддається перевага, плоский диск 9, встановлений у відкритому просторі 14, утвореному між першим та другим дископодібними корпусним елементом 4 та утримувальним елементом 17. Однак оскільки другий дископодібний утримувальний елемент 17 відкритий досередини (через отвір або отвори 23 тощо) та у цьому варіанті тільки утримує диск на місці, а також оскільки циліндричний сегмент 5 є коротшим та утворює інший шлях для потоку, який відрізняється від показаного на Фіг. 2, то тиск гальмування (Р4) зі зворотного боку диска 9, показаний на Фіг. 4, відсутній. За цим варіантом здійснення без тиску гальмування габаритна товщина пристрою є меншою та може протистояти більшій кількості частинок, що містяться у текучому середовищі. На Фіг. 6 показаний третій варіант здійснення винаходу, за яким конструкція є такою самою, що й у прикладі, показаному на Фіг. 2, однак який включає в себе пружний елемент 18 у формі спіралі або іншого придатного пружного засобу, який розташований з будь-якого боку диска та з'єднує диск з утримувальним елементом (7, 22), заглибиною (21) або корпусним елементом (4). 9 Пружний елемент 18 призначений для підтримання та керування площею перерізу потоку між диском 9 та вхідним отвором 10, або ж зовнішньою кромкою чи сідлом 19 вхідного отвору 10. Таким чином, залежно від жорсткості пружини, тобто від пружного зусилля, отвір між диском 9 та кромкою 19 стає більшим або меншим, і якщо вибрати придатну жорсткість пружини залежно від характеристик припливу текучого середовища та тиску у вибраному місці, де встановлений пристрій керування, то можна отримати постійну масову витрату через пристрій. На Фіг. 7 показаний четвертий варіант здійснення винаходу, за яким конструкція є такою самою, що й у прикладі, описаному вище та показаному на Фіг. 6, однак за яким диск 9 з боку, розташованого навпроти вхідного отвору 10, включає в себе термочутливий пристрій, такий як біметалевий елемент 20. Під час видобування нафти та/або газу умови можуть швидко змінюватися від ситуації, у якій видобувається тільки або переважно нафта, до ситуації, у якій видобувається тільки або переважно газ (прорив газу або утворення конуса газу). Наприклад, із падінням тиску на 16 бар (1,6 МПа) від 100 бар (10,0 МПа) падіння температури має відповідати приблизно 20°С. Внаслідок спорядження диска 9 термочутливим елементом, таким як біметалевий елемент, як показано на Фіг. 7, цей диск вигинається вгору або пересувається вгору елементом 20, що впирається в утримувальний елемент 7 і таким чином звужує отвір між диском та вхідним отвором 10 або повністю перекриває згаданий вхідний отвір. 94109 10 Усі описані вище приклади пристрою керування за цим винаходом, показані на Фіг. 1 та Фіг. 2, а також Фіг. 4-7, стосуються варіантів здійснення, за якими пристрій керування як такий являє собою окремий блок або пристрій, виконаний згідно з умовами потоку текучого середовища, або конструкцію, розташовану у стінці експлуатаційної колони, призначеної для видобування нафти та газу. Однак пристрій керування може бути, як показано на Фіг. 8, виконаний як єдине ціле з обладнанням, через яке проходить потік текучого середовища. Наприклад, диск 9 може бути розташований у заглибині 21 навпроти виходу вікна або отвору 10 стінки колони 1, показаної на Фіг. 1, замість виконання у окремому корпусному елементі 4. Додатково диск може утримуватися на місці у заглибині за допомогою утримувального засобу, виконаного у вигляді штирів, які виступають досередини, кільця 22 тощо, з'єднаного із зовнішнім отвором заглибини за допомогою гвинтового з'єднання, зварювання тощо. Винахід, обсяг якого визначений формулою, не обмежений варіантом застосування, пов'язаним із видобуванням нафти та/або газу зі свердловини, як описано вище, або із закачуванням газу (природного газу, повітря або СО2), пари або води у нафтову та/або газову свердловину. Таким чином, винахід може бути застосований у будь-яких процесах або варіантах застосуваннях, пов'язаних із процесами, у яких потрібно керування потоком текучих середовищ із різним вмістом газу та/або рідини. 11 94109 12 13 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 94109 Підписне 14 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП ―Український інститут промислової власності‖, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601