Результат интеллектуальной деятельности: Магнитный регулятор потока, применяемый при добыче и переработке жидких и газообразных полезных ископаемых

Изобретение относится к области узлов и деталей машин, а именно - к области регуляторов потока, обеспечивающих прохождение газового, жидкостного или газожидкостного потоков, и может быть использовано в нефтегазодобывающей, а также в нефтехимической отраслях промышленности.

Известно (RU, патент 2199662, опубл. 2003) устройство для измерения дебита скважин, содержащее газосепаратор с поплавком, связанным с заслонкой на газовой линии, гидравлически связанной с газовой и жидкостной линиями, счетчик жидкости, подпружиненный регулятор потока со штоком, снабженный фиксирующими элементами, установленными с возможностью взаимодействия со штоком, седло клапана, дроссель, причем шток снабжен шайбой из магнитного материала, расположенной между кольцевыми магнитами, установленными в магнитопроводах, жестко прикрепленных к корпусу, взаимодействующими с шайбой при перемещении штока, а дроссель установлен в проходном сечении седла клапана и жестко соединен с последним.

Устройство работает следующим образом. Газожидкостная смесь из нефтяной скважины через выходной патрубок поступает в сепарационную емкость, где происходит отделение газа от жидкости. Выделившийся газ через открытую газовую заслонку и выходной патрубок попадает в общий коллектор, а жидкость накапливается в нижней части сепарационной емкости, так как регулятор потока удерживается в закрытом положении силой упругости пружины и удерживающей силой замкнутой магнитной цепи, образованной нижними магнитами и магнитопроводом, жестко закрепленным с корпусом, шайбой из магнитного материала, жестко закрепленной на штоке клапана. По мере накопления жидкости в сепарационной емкости поплавок закрывает газовую заслонку. С достижением перепада давления между сепарационной емкостью и общим выходным коллектором величины, достаточной для преодоления силы упругости пружины и удерживающей силы магнитной цепи, образованной нижними магнитами и магнитопроводом, жестко прикрепленным к корпусу, и шайбой из магнитного материала, регулятор потока приоткрывается и начинается движение жидкости через дроссель. Перепад давления, образуемый при движении жидкости через дроссель, доводит регулятор потока до верхнего положения и фиксируется в этом положении силой, образованной замкнутой магнитной цепью верхних магнитов, магнитопровода и шайбы, занимающей верхнее положение с полным открытием клапана.

По мере ухода жидкости из сепарационной емкости уменьшается ее уровень, поплавок приоткрывает заслонку, что приводит к уменьшению перепада давления между сепарационной емкостью и общим коллектором, которое в свою очередь приводит к уменьшению перепада давления на дросселе. Наступает момент, когда сила упругости пружины становится больше суммы сил, образованных замкнутой магнитной цепью из верхних магнитов с магнитопроводом и шайбой и силой давления, обусловленной перепадом давления при прохождении жидкости через дроссель, регулятор потока закрывается. Далее цикл повторяется.

Недостатком известного устройства следует признать сложность конструкции.

Известен также (RU, патент 90865, опубл. 2010) обратный регулятор потока, содержащий корпус, внутри которого расположен затвор, установленный на поворотной оси, седло с уплотнительным элементом, расположенным вокруг напорного отверстия в корпусе и крышку. Кроме того, обратный регулятор потока дополнительно снабжен электромеханическим устройством, состоящим из магнита, совмещенного с затвором, герконом, установленным перед седлом, соединительным проводом, выведенным через сальниковый узел, а также с возможностью настройки и регулировки порогов переключения электромеханического устройства посредством возможности взаимного перемещения геркона и магнита.

Недостатком известного обратного клапана следует признать сложность конструкции, а также невозможность перенастройки клапана на другие условия его работы.

Известен (RU, патент. 102396 опубл. 27.02.2011) регулятор замера нефти, характеризующийся тем, что содержит корпус с верхней и нижней крышками, внутри которого расположены верхний и нижний неподвижные магниты и шток, на котором размещен подвижный магнит, пружина, клапан манжетный, при этом в верхней крышке закреплен компенсатор, выполненный с возможностью поднятия клапана манжетного, и регулировочный болт, выполненный с возможностью регулирования перепада давления.

Известное устройство работает следующим образом. При наборе давления до 0,8-1,2 кгс/см² клапан манжетный находится в закрытом положении. Под действием пружины нижний неподвижный магнит удерживает подвижный магнит, который закреплен на штоке с помощью гайки. Как только давление доходит до верхнего предела, происходит открытие клапана, подвижный магнит отходит к неподвижному верхнему магниту, обеспечивая проход жидкости через счетчик жидкости ТОР. Клапан в открытом положении удерживается силой давления потока и верхним неподвижным магнитом (открытого положения). При снижении перепада давления до 0,2-0,4 кгс/см², пружина преодолевает усилие потока и верхнего неподвижного магнита и возвращает клапан в закрытое положение.

Недостатком известного устройства следует признать ограниченную область применения.

Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент 124759, опубл. 2013) клапан с фиксированным положением затвора, применяемый при добыче жидких полезных ископаемых, содержащий корпус и сборную трубу с отверстиями для входа и выхода проточной среды, седло, затвор и средство фиксации положения затвора, причем регулятор потока дополнительно содержит пробку, по меньшей мере, часть которой изготовлена из магнитного материала, установленную в корпус, а средство фиксации положения затвора выполнено в виде, по меньшей мере, одного магнита с заранее рассчитанной коэрцитивной силой.

В нормальном состоянии клапан находится в открытом положении за счет коэрцитивной силы постоянного магнита, входящего в состав средства фиксации положения затвора. Переключение клапана может происходить под действием перепада давления на затворе при изменении расхода текущей среды. Причем за счет коэрцитивной силы постоянного магнита можно регулировать момент срабатывания клапана (его закрытие или открытие).

Недостатком известного клапана можно признать недостаточную тонкость настройки работы клапана, а также невысокий ресурс работы при отсутствии возможности управления работы затвора.

Техническая задача, решаемая с использованием разработанного устройства, состоит в расширении ассортимента сервисного оборудования обслуживания скважин.

Технический результат, достигаемый при реализации разработанного устройства, состоит в обеспечении возможности регулирования потока без его прерывания, надежности и срока эксплуатации систем и устройств, в состав которых входит магнитный регулятор потока разработанной конструкции.

Для достижения указанной цели предложено использовать магнитный регулятор притока, применяемый при добыче и переработке жидких и газообразных полезных ископаемых, разработанной конструкции. Магнитный регулятор потока содержит корпус с устройствами для входа и выхода проточной среды, седло или изолирующую плоскую или изогнутую поверхность, в состав которого входит, по меньшей мере, один магнит или электромагнит с заранее рассчитанной магнитной силой и затвор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит средство фиксации затвора, и в состав которого может входить, по меньшей мере, один магнит или электромагнит с заранее рассчитанной магнитной силой, причем затвор выполнен в виде диска с плоской или изогутой поверхностью, установлен с возможностю контролируемого перемещения над седлом или изолирующей поверхностью, которая содержит, по меньшей мере, один магнит или электромагнит, или, по меньшей мере, частично выполнены из магнитного или ферромагнитного материала.

Средство фиксации затвора может быть включено в изолирующую плоскость или седло, может представлять собой штифты, диск круглой или какой-либо другой формы или любой другой механизм для ограничения движения затвора в определенных пределах или области.

Регулятор потока может дополнительно содержать упор затвора, который в некоторых вариантах реализации выполнен в виде пластины, штифта, проточки в виде ребра или ступеньки.

В некоторых вариантах реализации регулятор потока выполнен с возможностью самостоятельного возвращения в исходное положение, в том числе и с обеспечением возможности изменения его положения относительно седла или изолирующей плоскости при использовании дополнительного воздействия.

Регулятор потока может быть выполнен с возможностью удержания затвора в измененном положении с обеспечением возможности возвращения в исходное положение при использовании дополнительного воздействия.

Работа регулятора потока разработанной конструкции основана на взаимодействии двух разных физических явлений - магнетизма (или электромагнетизма) и гидродинамики. Указанное взаимодействие происходит следующим образом. При движении потока через проточный тракт, образованный элементами конструкции регулятора, из-за скоростного напора и гидравлического сопротивления текучей среды, а также вследствие уменьшения давления в областях с повышеной скоростью потока, происходит изменение давления на поверхности затвора. В результате на затвор регулятора начинает действовать гидродинамическая сила, которую компенсирует сила, по меньшей мере, одного магнита или электромагнита, входящего в состав регулятора потока. Величину указанной магнитной силы рассчитывают на стадии проектирования регулятора потока, исходя из условий его эксплуатации. При возрастании расхода жидкости гидродинамическая сила, воздействующая на затвор со стороны текущей среды, становится сопоставимой с магнитной силой и изменяет состояние регулятора потока. Затвор приближается к седлу или изолирующей поверхности и проходнное сечение тракта для течения жидкости уменьшается. При этом поток жидкости уменьшается. Аналогично идет взаимодействие сил и при уменьшении расхода текучей среды - перепад давления на затворе уменьшается и магнитная сила возвращает затвор регулятора потока в исходное открытое состояние.

В некоторых вариантах реализации разработанного устройства в средстве фиксации положения затвора магниты или электромагниты расположены, по меньшей мере, с одной стороны дискового затвора. Это упрощает конструкцию регулятор потока.

В некоторых вариантах реализации разработанного устройства в средстве фиксации положения дискового затвора магнит или электромагнит расположены более чем с одной стороны дискового затвора. Это повышает надежность работы регулятора разработанной конструкции.

В некоторых вариантах реализации разработанного устройства дисковый затвор содержит по меньшей мере один магнит, или содержит магнитный материал или, по меньшей мере, частично выполнен из магнитного или ферромагнитного материала.

Разработан вариант реализации устройства, в котором средство фиксации положения затвора выполнено с возможностью задания положения затвора относительно магнита или электромагнита. Это расширяет возможности использования регулятор потока разработаной конструкции.

В средстве фиксации положения затвора использован в зависимости от условий эксплуатации регулятора потока может содержать, по меньшей мере, один магнит или электромагнит с произвольно ориентированными полюсами или с заданной ориентацией полюсов.

Средство фиксации положения дискового затвора может быть выполнено как из магнитного, так и немагнитного материала.

Входное устройство регулятор потока может быть выполнено, по меньшей мере, с одним каналом для подвода среды.

Выходное устройство может быть выполнено, по меньшей мере, с одним каналом для отвода среды.

Регулятор потока может дополнительно содержать упор дискового затвора, причем упор затвора может быть выполнен в виде пластины, штифта, проточки в виде ребра или ступеньки.

В некоторых вариантах реализации регулятор потока может быть выполнен с возможностью самостоятельного возвращения в исходное положение.

Также в некоторых вариантах реализации регулятор потока может быть выполнен с возможностью удержания затвора в исходном положении с обеспечением возможности перехода в другое состояние при использовании дополнительного воздействия.

Регулятор потока может быть выполнен с возможностью удержания затвора в переключенном состоянии с обеспечением возможности возвращения в исходное положение при использовании дополнительного воздействия.

В нормальном состоянии регулятор потока находится в открытом положении за счет магнитной силы магнита или электромагнита. Изменение состояния регулятора потока может происходить под действием перепада давления на затворе при изменении расхода и фазового состава текущей среды. Причем за счет магнитной силы можно регулировать степень закрытия регулятора потока.

Регулятор потока разработанной конструкции с некоторыми ее модификациями может быть использован в активной, пассивной или автономной системе регулирования направления движения потоков внутри скважины при различных режимах ее эксплуатации: установки оборудования в скважину, добычи нефти, гидроразрыва пласта, промывки скважины и др.

По первому варианту реализации разработанной конструкции регулятора потока затвор постоянно находится в потоке, испытывая при этом гидродинамическую силу, которая, действуя на затвор, стремиться прижать его к седлу или изолирующей поверхности. Одновременно магнитная сила удерживает затвор в открытом состоянии. При превышении гидродинамической силы над магнитной силой, затвор прижмется к седлу и площадь проходного сечения значительно уменьшится, уменьшая, таким образом, сам поток.

По второму варианту реализации разработанной конструкции регулятора потока при нахождении затвора в области, где скорость потока низкая, затвор будет затягиваться в поток, где величина скорости выше. Одновременно на затвор будет действовать гидродинамическая сила, которая стремится прижать затвор к седлу или изолирующей поверхности. Магнитная сила удерживает затвор в открытом состоянии. При превышении гидродинамической силы над магнитной силой, затвор прижмется к седлу и регулятор потока уменьшит поток.

Магнитный регулятор потока разработанной конструкции может быть использован в составе оборудования заканчивания скважины с использованием фильтров или муфт для проведения многостадиного гидроразрыва пласта и т.д., оснащенных адаптивными устройствами регулирования потока.

Регулятор потока разработанной конструкции в варианте с использованием электромагнитов может быть использован в системе управления добычей с устья скважины. В случае изменения со временем характеристик призабойной зоны пласта, а также при прорыве воды или газа, возможно ограничить приток упомянутых компонентов путем подачи управляющего электрического сигнала для переключения регуляторов потока и настройки параметров добычи в необходимых интервалах ствола скважины.

Применение магнитных регуляторов потока разработанной конструкции позволяет повысить надежность и срок эксплуатации систем и устройств, в состав которых входит магнитный регулятор потока разработанной конструкции, за счет значительного увеличения рабочей поверхности, что приводит к меньшей эрозии устройств. Возможность использования магнитного материала, магнитов или электромагнитов как в составе затвора, так и в составе седла и средства фиксации затвора обеспечивает дублирование функций и, как следствие, большую надежность оборудования.