Устройство для гравийной набивки затрубного пространства буровой скважины

 

Использование: в области бурения и, в частности в устройствах для гравийной набивки затрубного пространства буровой скважины. Обеспечивает повышение эффективности гравийной закладки по всему затрубному пространству скважины. Сущность изобретения: устройство включает песчаный фильтр. Он выполнен с возможностью подсоединения к нижнему концу рабочей обсадной колонны. Вдоль наружной поверхности песчаного фильтра размещено шунтирующее средство. Оно выполнено в виде одной или множества перфорированных труб. Они выполнены с возможностью селективной подачи гравийного шлама на разные уровни затрубного пространства. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области бурения и, в частности к устройству для гравийной набивки затрубного пространства буровой скважины.

При добыче углеводородов или подобных материалов из рыхлых, неуплотненных и/или имеющих трещины подземных формаций, как правило, вместе с жидкостями извлекают большие объемы материала в виде частиц, например, песка. Эти материалы в виде частиц, как правило, вызывают целый ряд проблем, ведущих к увеличению расходов и значительным потерям времени. В большинстве случаев материалы в виде частиц, содержащиеся в добываемых жидкостях, вызывают следующие проблемы: сильную эрозию обсадной колонны скважины и другого технологического оборудования, частичное или полное закупоривание потока из скважины, требующее ее остановки, обвалы в формации и выход из строя обсадной колонны, необходимость дополнительной обработки добываемых жидкостей на поверхности для удаления материала в виде частиц, дополнительные расходы на удаление материала в виде частиц после его отделения. Поэтому представляется очень важным в большинстве операций контролировать извлечение материала в виде частиц.

По всей вероятности, наиболее широко применяемым способом контроля извлечения материала в виде частиц, например, песка из скважины является гравийная набивка. При формировании традиционной гравийной набивки в скважину опускается фильтр, который размещается у затрубного пространства скважины, подлежащего заполнению. Затем материал в виде частиц, называемый в целом гравий, закачивается в виде шлама в обсадную колонну, на которой подвешен фильтр. Этот шлам поступает в обсадную колонну над фильтром через "переходник" или подобный элемент и проходит вниз в кольцевое пространство, образованное между фильтром и обсадной колонной, или открытым отверстием, в зависимости от ситуации. Жидкость из шлама просачивается в формацию и/или отверстия в фильтре, размер которых препятствует прохождению через них гравия. В результате гравий осаждается или "отсеивается" в кольцевое пространство вокруг фильтра, где он скапливается, образуя гравийную набивку. Благодаря размерам гравия вокруг фильтра образуется проницаемая масса, которая пропускает поток добываемых жидкостей, но блокирует поток любых материалов в виде частиц, извлекаемых вместе с жидкостями из формации.

Одна из главных проблем, возникающих при создании гравийной набивки, особенно в тех случаях, когда необходимо заполнить особенно длинные или наклонные затрубные пространства, состоит в сложности распределения гравия по всему заполняемому пространству, т.е. полной набивки кольцевого пространства между фильтром и обсадной колонной в обсадных скважинах или между фильтром и буровой скважиной в скважинах, не закрепленных обсадными колоннами, или расширенных скважинах. Это плохое распределение гравия, т.е. неполная набивка затрубного пространства, часто объясняется потерей жидкости из гравийного шлама в более проницаемых частях затрубного пространства в формации, что, в свою очередь, обуславливает возникновение гравийных, например, песчаных "мостов" в кольцевом пространстве до того, как будет размещен весь гравий. Такие мосты блокируют дальнейший поток шлама через кольцевое пространство, препятствуя размещению достаточного количества гравия под мостом при закладке сверху вниз и над мостом при закладке снизу вверх.

В патенте США N 4945991 раскрыт способ гравийной набивки затрубного пространства буровой скважины, обеспечивающий хорошее распределение гравия по всему заданному пространству даже в том случае, если песочные мосты образуются до того, как произошло осаждение всего гравия. Согласно данному способу, внешняя поверхность фильтра снабжена перфорированными шунтами или трубами, которые находятся в гидравлической связи с гравийным шламом, когда он поступает в буровую скважину рядом с фильтром. Если песчаный мост образуется до того, как разместили гравий, этот шлам будет проходить через трубы и наружу в кольцевое пространство через перфорации в трубах, чтобы завершить заполнение кольцевого пространства над и/или под мостом. В некоторых случаях перфорация этих труб снабжена клапанообразными устройствами, так что исключается поток шлама через трубы до тех пор, пока действительно не образуется мост в кольцевом пространстве.

В авторском свидетельстве СССР N 994696 раскрыто устройство для гравийной набивки затрубного пространства буровой скважины, содержащее песчаный фильтр, выполненный с возможностью подсоединения к нижнему концу рабочей обсадной колонны и шунтирующее средство для селекции и подачи гравийного шлама в затрубное пространство. Устройство включает также всасывающую трубу, сообщающую насос с центральной трубой. Шунтирующее средство выполнено в виде двух гидроциклов, установленных под фильтровым каркасом, включающих входные, сливные и песковые патрубки. Входные патрубки сообщены с центральной трубой, сливные с всасывающей трубой, а песковые с затрубным пространством фильтрового каркаса.

За счет разрежения, создаваемого насосом во всасывающей трубе, водопесчаная смесь (пульпа) из нижней части фильтрового каркаса по центральной трубе поднимается вверх и через входные патрубки попадает в гидроциклон, где происходит разделение частиц водонасосной породы по крупности. Мелкие частицы уносятся потоком через сливные патрубки по всасывающей трубе насоса на поверхность, а крупные через песковые патрубки поступают в затрубное пространство фильтрового каркаса. В процессе откачки водовмещающая порода прифильтровой зоны проседает, начиная с верхней части фильтра, и прифильтровая зона заполняется крупными частицами породы.

Вынос пульпы производится до тех пор, пока крупные частицы породы не образуют сплошной контур вокруг фильтрового каркаса.

Таким образом, гидроциклоны осуществляют подачу гравия в буровую скважину только на одном уровне, т.е. в верхней части фильтра, что не обеспечивает равномерного распределения гравия по всему затрубному пространству буровой скважины.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение равномерного распределения гравия по всему затрубному пространству буровой скважины и повышение эффективности гравийной набивки в ряде применений в частности, при заполнении гравием длинных затрубных пространств.

Этот технический результат достигается тем, что в устройстве для гравийной набивки затрубного пространства буровой скважины, включающем песчаный фильтр, выполненный с возможностью подсоединения к нижнему концу рабочей обсадной колонны и шунтирующее средство для селекции и подачи гравийного шлама в затрубное пространство, согласно изобретению шунтирующее средство выполнено из одной или множества перфорированных труб, размещенных вдоль наружной поверхности песчаного фильтра и выполненных с возможностью селективной подачи гравийного шлама на разные уровни затрубного пространства.

Вышеописанное шутнирующее средство, т.е. перфорированные трубы и их компоновка на наружной поверхности песчаного фильтра, обеспечивает селективную подачу гравийного шлама на разные уровни затрубного пространства во время операции закладки гравия. Это повышает эффективность гравийной закладки в ряде применений, например, при заполнении супердлинных затрубных пространств, по сравнению с использованием шунтирующих средств, подающих гравий на один уровень.

На фиг. 1 приведен вертикальный вид с частичным разрезом устройства для гравийной набивки затрубного пространства буровой скважины, согласно изобретению, расположенного в буровой скважине; на фиг.2 вертикальный вид второго варианта выполнения шунтирующего средства устройства, показанного на фигуре 1; на фиг. 3 вертикальный вид третьего варианта выполнения шунтирующего средства устройства, показанного на фигуре 1; на фиг. 4 вертикальный вид четвертого варианта выполнения шунтирующего средства устройства, показанного на фигуре 1; на фиг.5А и 5В вертикальные виды различных компоновок труб шунтирующего средства устройства, показанного на фигуре 1.

На фигуре 1 изображен нижний конец добывающей и/или нагнетательной скважины. Скважина содержит ствол 2 скважины, проходящий от поверхности земли (не показана) через неуплотненную и/или не имеющую трещины обычную и/или нагнетательную формацию 3. Скважина 2 закреплена обсадной колонной 4 и цементом 5, в которых выполнены сквозные перфорации 6, для обеспечения гидравлической связи между формацией 3 и внутренним пространством обсадной колонны 4. Хотя скважина изображена в виде практически вертикальной обсадной скважины, следует понимать, что данное изображение равно применимо для скважин, не закрепленных обсадными колонными и/или расширенных скважин, а также для горизонтальных и/или наклонных буровых скважин.

Устройство 7 для гравийной набивки затрубного пространства буровой скважины размещают в стволе 2 скважины вблизи заполняемого затрубного пространства формации 3, и оно образует кольцевое затрубное пространство 8 между фильтром 9 и обсадной колонной 4. Устройство 7 состоит из песчаного фильтра 9 с переходным элементом 10, с выходными отверстиями 11, подсоединенным к его верхнему концу, который, в свою очередь, подвешен с поверхности земли на трубе или рабочей обсадной колонне (не показано). Термин "фильтр" используется здесь в качестве родового понятия и охватывает все виды конструкций, традиционно используемые в данной области для осуществления операций гравийной набивки, пропускающие жидкости, но блокирующие поток материалов в виде частиц, например, фильтры серийного изготовления, обсадные трубы, снабженные прорезями или перфорациями, сетчатые трубы, предварительно насажанные фильтры и/или обсадные трубы или их комбинации. Фильтр 9 может быть любой сплошной длины или может состоять из секций, например, секций длиной 9,14 м, соединенных вместе с переходными средствами. Примером типичного песчаного фильтра, который может быть использован в данном изобретении, служит фильтр, раскрытый в ранее указанном патенте США N 4664191.

На наружной поверхности фильтра 9 установлено шунтирующее средство 12 для селекции и подачи гравийного шлама в затрубное пространство 8. Как изображено на фиг. 1, шунтирующее средство 12 состоит из множества перфорированных труб 13, 14, 15 разной длины, размещенных вдоль наружной поверхности фильтра 9. Труба 13 короче, чем труба 14, которая короче, чем труба 15. За счет изменения длины труб 13, 14, 15 гравийный шлам, проходящий через соответствующую трубу 13, 14, 15, будет селективно подаваться через перфорации или отверстия 16 в трубе 13, 14, 15 на разные уровни в кольцевом затрубном пространстве 8 во время операции гравийной набивки. Если затрубное пространство 8 находится в горизонтальной буровой скважине или подобной ей, под "уровнем" подразумевается поперечное положение внутри буровой скважины. Трубы 13, 14, 15 могут быть открыты с обоих концов или открыты в верхнем конце для приема гравийного шлама, как будет описано ниже.

Средство для гидравлического соединения входных отверстий переходного элемента 10 с шунтирующим средством 12 выполнено в виде трубопровода 17, подсоединенного к каждой из перфорированных труб 13, 14, 15 и выполненного с входными каналами 18, подсоединенными к выходным отверстиям 11 переходного элемента 10. В этом случае гравийный шлам проходит прямо в трубопровод 17 во время гравийной набивки.

Шунтирующее средство может состоять из труб, конфигурации и компоновка которых отличается от показанной на фиг. 1. Например, на фигуре 2 шунтирующее средство 19 имеет три трубы 20, 21, 22, труба 20 содержит перфорации 23 расположенные по всей ее длине, труба 21 снабжена перфорациями 23 на меньшей длине, а труба 22 перфорирована на еще меньшей длине. Трубы 20, 21, 22 объединены трубопроводом 24.

На фигуре 3 изображено шунтирующее средство 25, выполненное из одной трубы 26, на которой перфорации выполнены по всей ее длине, причем размер перфораций изменяется от одного конца к другому. Это значит, что труба 26 имеет относительно большие перфорации 27, например, диаметром 0,32 см на одном конце, промежуточные перфорации 28 меньшего диаметра, например, диаметром 0,24 см, и еще меньшие перфорации 29, например, диаметров 0,16 см, на противоположном конце.

Во время операции гравийной набивки гравийный шлам выбирает путь наименьшего сопротивления через трубы и стремится проходить сначала через перфорации большего размера, пока они не заблокируются, и только после этого проходит через перфорации следующего наибольшего размера, оставшиеся открытыми, и т.д.

На фигуре 4 изображено шунтирующее средство 30, состоящее из одной ступенчатой трубы 31, которая имеет на одном конце диаметр больший, чем на другом. Часть трубы 31 наибольшего диаметра, расположенная вверху, вынуждает шлам проходить вниз в трубу 31 до тех пор, пока гравий в кольцевом затрубном пространстве 8 не заблокирует перфорации в части трубы 31, имеющей наименьшей диаметр. Такое шунтирующее средство 30 особенно эффективно при циркуляционных гравийных набивках, поскольку в этом случае открыта меньшая площадь фильтра 9, через которую может теряться жидкость из шлама, и, следовательно, существует меньшая возможность образования моста в кольцевом затрубном пространстве 8.

На фигурах 5А и 5В изображены соответственно шунтирующие средства 32 и 33, которые содержат разные компоновки трубопроводов из труб 34. В обоих вариантах, по меньшей мере, одна труба 34 подсоединена к первому трубопроводу 35, который выполнен с возможностью соединения с выпускным отверстием 11 переходного элемента 10 (фиг.1). Первый трубопровод 35 подсоединен ко второму трубопроводу 36, к которому, в свою очередь, подсоединено множество труб 20, 21, 22. При желании, второй трубопровод 36 может быть также подсоединен к третьему трубопроводу 37 (фиг.5А) и четвертому трубопроводу 38 (фиг. 5В) и т.д. Такие компоновки труб селективно подают гравийный шлам непосредственно на свои соответствующие уровни в кольцевом затрубном пространстве 8.

Хотя перфорации в трубах шунтирующих средств были изображены в виде отверстий, открытых к передней части труб, следует понимать, что они могут также быть открыты сбоку. Кроме того, трубы не обязательно должны быть круглыми, но могут также быть выполнены квадратными, прямоугольными или другой конфигурации.

Вышеописанное устройство для гравийной набивки затрубного пространства буровой скважины работает следующим образом.

Устройство 7 опускают в буровую скважину 2 на рабочей обсадной колонне 4 и размещают рядом с формацией 3. Устанавливается пакр 39. Затем гравийный шлам закачивается вниз рабочей обсадной колонны 4 и через выпускные отверстия 11 в переходном элементе 10. Если трубы 13, 14, 15 открыты в верхних концах, шлам будет проходить вниз в кольцевое затрубное пространство 8. По мере того, как шлам теряет жидкость либо в формацию 3 через перфорации 6 обсадной колонны 4, либо через фильтр 9, возвращаясь по трубе 40 в переходном элементе 10, гравий, заносимый с шламом, осаждается и скапливается в кольцевом затрубном пространстве 8, образуя гравийную набивку.

Если жидкость теряется в водопроницаемый пласт в формации 3 до заполнения кольцевого затрубного пространства 8, существует вероятность образования песчаного моста, показанного пунктирными линиями 41 на фигуре 1, который заблокирует поток через кольцевое пространство 8 и будет препятствовать дальнейшему заполнению под мостом 41. В этом случае гравийный шлам будет проходить через перфорации 16 в соответствующую трубу 13, 14, 15, чтобы закончить заполнение кольцевого пространства 8.

Если трубы 13, 14, 15 подсоединены напрямую к выпускным отверстиям 11 через трубопровод 17, тогда полное заполнение кольцевого пространства 8 будет осуществляться через перфорации 16 в соответствующих трубах 13, 14, 15. И в этом случае, за счет селективной подачи гравия непосредственно на разные уровни кольцевого затрубного пространства 8, явно должно происходить лучшее распределение гравия в нем и будет достигаться более высокая общая эффективность гравийной набивки в ряде применений, в частности, при заполнении длинных затрубных пространств 8.

Формула изобретения

1. Устройство для гравийной набивки затрубного пространства буровой скважины, включающее песчаный фильтр, выполненный с возможностью подсоединения к нижнему концу рабочей обсадной колонны, и шунтирующее средство для селекции и подачи гравийного шлама в затрубное пространство, отличающееся тем, что шунтирующее средство выполнено из одной или множества перфорированных труб, размещенных вдоль наружной поверхности песчаного фильтра и выполненных с возможностью селективной подачи гравийного шлама на разные уровни затрубного пространства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при выполнении шунтирующего средства из множества перфорированных труб по меньшей мере одна из этих труб выполнена короче других.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при выполнении шунтирующего средства из множества перфорированных труб перфорация в каждой из труб выполнена на части трубы, длина которой отличается от длины перфорированных частей других труб.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при выполнении шунтирующего средства в виде одной перфорированной трубы ее перфорация выполнена по всей длине трубы, а размер перфорации на одном конце трубы больше, чем на другом конце трубы.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при выполнении шунтирующего средства в виде одной перфорированной трубы ее перфорация выполнена по всей длине трубы, а диаметр одного конца трубы больше диаметра другого конца трубы.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено переходным элементом с выходными отверстиями, соединенным с верхним концом песчаного фильтра, и средством для гидравлического соединения входных отверстий переходного элемента с шунтирующим средством через выходные отверстия.

7. Устройство по пп.1 и 6, отличающееся тем, что при выполнении шунтирующего средства из множества перфорированных труб средство для гидравлического соединения выполнено в виде первого трубопровода, подсоединенного к каждой из перфорированных труб и выполненного с входными каналами, подсоединенными к выходным отверстиям переходного элемента.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оно снабжено вторым трубопроводом, гидравлически связанным с первым трубопроводом и множеством перфорированных труб.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5