Способ и устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине

 

Изобретение относится к области скважинных технологий, связанных с бурением и эксплуатацией скважин, и может быть использовано, в частности, для интенсификации притоков пластовых флюидов, очистки фильтровой части скважин, а также для ликвидации прихватов труб в скважинах и улучшения качества цементирования обсадных колонн в скважинах. Обеспечивает возможность повышения эффективности способа за счет возможности получения колебаний без прокачки жидкости и с возможностью регулирования параметров колебаний. Сущность изобретения: способ включает помещение в колонну труб с жидкостью ударника на гибкой подвеске и возбуждение его радиальных периодических колебаний с передачей поперечных ударов на колонну. При этом в колонну помещают ударник или ударники, которые выполняют с максимальным поперечным сечением, составляющим отношение с внутренним сечением колонны в пределах 0,9-0,98. Радиальные периодические колебания ударника создают за счет его осевого перемещения в колонне со скоростью, которую выбирают из условия передачи на колонну ударов необходимой силы. Устройство включает колонну труб, частично или полностью заполненную жидкостью, ударник, помещенный в колонне, и ограничитель осевого перемещения ударника. Он выполнен в виде гибкой подвески, один конец которой связан с ударником. При этом в колонне помещен ударник или ударники, которые выполнены с максимальным поперечным сечением, составляющим отношение с внутренним поперечным сечением колонны в пределах 0,9-0,98. При этом другой конец гибкой подвески закреплен на устье для осевого перемещения ударника или ударников в колонне. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области скважинных технологий, связанных с бурением и эксплуатацией скважин, и может быть использовано, в частности, для интенсификации притоков пластовых флюидов части скважин, а также для ликвидации прихватов труб в скважинах и улучшения качества цементирования обсадных колонн в скважинах.

Известен способ и устройство для возбуждения поперечных колебаний труб в скважинах путем размещения в основной колонне дополнительной колонны меньшего диаметра, оснащенной по периметру равновеликими ребрами. При вращении дополнительной колонны ее ребра производят удары, которые вызывают поперечные колебания основной колонны труб [1].

К числу общих недостатков известного технического решения относятся следующие: 1. Громоздкость оборудования для выполнения способа.

2. Недостаточная эффективность вследствие больших затрат энергии и невысокой частоты производимых ударов.

3. Неспособность производить колебания в жидкости, заполняющей скважину, т. е. воздействовать через жидкость на пласты в зоне перфорации колонны (имеет место лишь перемешивание жидкости).

Наиболее близким аналогом изобретения является способ возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине, включающий помещение в колонне с жидкостью ударника на гибкой подвеске и возбуждение его радиальных периодических колебаний с передачей поперечных высокочастотных ударов на колонну труб [2].

В части устройства наиболее близким аналогом является устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны в скважине, включающее колонну труб, частично или полностью заполненную жидкостью, ударник, помещенный в колонне, и ограничитель осевого перемещения ударника, выполненный в виде гибкой подвески, один конец которой связан с ударником [3].

К недостаткам этих решений следует отнести: 1. Источник колебаний - ударник связан с местом расположения в колонне труб. Вследствие этого поперечные колебания, возбуждаемые в колонне на локальном участке, затухают по мере удаления от источника колебаний.

2. Ударник работает только при прокачке жидкости, тогда как в скважине могут возникнуть условия, при которых жидкость прокачать невозможно, например, во время прихвата при спуске осадных труб, или после закачки и продавки цементных растворов или при воздействии на продуктивные пласты, когда не желательно заполнять скважину жидкостью, что приведет к задавке пласта и прекращению притоков нефти, и в ряде других случаев.

3. Недостаточной представляется возможность регулирования параметров колебаний.

4. Необходимость использования специального насосного оборудования с большими энергетическими затратами.

Техническим результатом изобретения является устранение вышеизложенных недостатков.

Необходимый технический результат достигается тем, что в способе возбуждения поперечных колебаний колонны труб, включающем помещение в колонну труб с жидкостью ударника на гибкой подвеске и возбуждение его радиальных периодических колебаний с передачей на колонну поперечных ударов, согласно изобретению, в колонну помещают ударник или ударники, которые выполняют с максимальным поперечным сечением, составляющим отношение с внутренним поперечным сечением колонны в пределах 0,9-0,98, а радиальные периодические колебания ударника или ударников создают за счет их осевого перемещения в колонне со скоростью, которую выбирают из условия передачи на колонну ударов необходимой силы.

Кроме того: - Силу ударов, передаваемых на колонну, регулируют весом груза, размещенным под ударником на гибкой подвеске.

- Силу ударов, передаваемых на колонну, регулируют количеством ударников, размещенных друг под другом на гибкой подвеске.

- Силу ударов, передаваемых на колонну, регулируют вязкостью жидкости в колонне.

- Силу ударов, передаваемых на колонну, регулируют за счет различного наполнения жидкости в колонне газовой фазой.

- Силу и частоту ударов, передаваемых на колонну, регулируют за счет ускорения перемещения ударника.

- Силу и частоту ударов, передаваемых на колонну, регулируют за счет параметрического усиления колебаний ударника.

- Силу и частоту ударов, передаваемых на колонну, регулируют зазором между ударником и внутренним поперечным сечением колонны.

- Силу и частоту ударов, передаваемых на колонну, регулируют за счет изменения формы ударников.

- Силу и частоту ударов, передаваемых на колонну, регулируют различными расстоянием между ударниками в гирляндной подвеске.

Кроме того: Ударник перемещают со скоростью, при которой происходят разрывы столба жидкости в колонне.

Режим колебаний ударника контролируют на устье скважины по натяжению гибкой подвески.

В части устройства необходимый технический результат достигается тем, что в этом устройстве, включающем колонну труб, частично или полностью заполненную жидкостью, ударник, помещенный в колонне, и ограничитель осевого перемещения ударника, выполненный в виде гибкой подвески, один конец которой связан с ударником, согласно изобретению, в колонне помещен ударник или ударники, которые выполнены с максимальным поперечным сечением, составляющим отношение с внутренним поперечным сечением колонны в пределах 0,9-0,98. При этом ограничитель осевого перемещения ударников выполнен в виде гибкой подвески, один конец которой связан с этими ударниками, а другой конец закреплен на устье для осевого перемещения ударников в колонне.

Кроме того: - Под ударником размещен груз на гибкой подвеске.

- Ударник выполнен в виде гирлянды ударников. размещенных друг под другом на гибкой подвеске.

- Ударник выполнен в виде шара.

- Ударник выполнен в виде цилиндра.

- Ударник выполнен в виде конуса.

- Ударник выполнен в виде цилиндра и связанного с ним полушара.

- Ударник выполнен в виде конуса и связанного с ним полушара.

- Ударник выполнен в виде шара и связанного с ним полушара.

- Ударники в гирлянде размещены на одинаковом расстоянии друг от друга; - Ударники в гирлянде размещены на разных расстояниях друг от друга; - Ударники в гирлянде выполнены одинаковой формы.

- Ударники в гирлянде выполнены разной формы.

- Ударники в гирлянде выполнены разными по массе.

- Ударник выполнен полым и его полость заполнена жидкостью с плотностью 1 -13,6 г/см³.

- Ударник выполнен полым и его полость частично заполнена жидкостью с плотностью 1 -13,6 г/см³.

- Колонна частично или полностью наполнена жидкостью с плотностью 1 -13,6 г/см³.

- Колонна частично или полностью наполнена жидкостями с разной плотностью.

- Колонна частично или полностью наполнена жидкостями с разной плотностью.

Существо признаков, определяющих особенности предложенного решения в части способа, обосновывается следующим: - выполнение ударника с максимальным поперечным сечением, составляющим отношение с внутренним поперечным сечением колонны в пределах 0,9-0,98, исходит из того, что при отношении менее 0,9 ударников переходит во вращательное движение вокруг центра трубы (катится по стенкам трубы). Это было выявлено в лабораторных опытах и непосредственно в скважинах и объясняется распределением давления в серповидном зазоре.

- При отношении 0,9-0,98 зазор между ударником и колонной имеет более равномерную ширину, вследствие чего распределение давления в обтекающем потоке становится более равномерным и ударник (что также наблюдалось на стенде) переходит в режим поперечных колебаний.

- Выбор гибкой подвески ударника обусловлен тем, что она практически не ограничивает степеней свободы радиального перемещения ударника.

- Скорость осевого перемещения ударника выбирают из условия тягового усилия на подвеске, которое функционально зависит от массы ударника, количества ударников в связке, зазора между ударником и внутренним сечением трубы, вязкости жидкости в трубе и ускорения осевого движения ударника и определяется опытным путем.

При передаче ударных нагрузок на колонну возникает необходимость в регулировании силы удара усиления вибровоздействия или его ослабления. Усиление бывает необходимым при сильных прихватах колонны (например, прихватах во время спуска обсадных колонн из-за выпучивания стенок скважины в интервалах залегания пластичных глин). Ослабление - во время цементирования обсадных колонн на стадии начала схватывания цементного раствора.

Регулирование силы ударов осуществляют размещением груза ниже ударника на гибкой подвеске. При этом в результате малых возмущающих продольных колебаний груза, при ходе ударника вверх происходит параметрическое усиление или ослабление поперечных колебаний ударника.

Размещение ниже ударника дополнительных (аналогичных) ударников на гибкой подвеске создает возможность увеличить частоту ударов, передаваемых на колонну, а также увеличить амплитуду колебаний труб. В этом случае появляется возможность параметрического усиления колебаний ударников, т.к. с изменением скорости подъема гирлянды ударников создаются условия, при которых малые поперечные колебания будут возрастать (необходимое для этого соотношение фаз колебаний будет устанавливаться само собой). Возникает явление, сходное с явлением резонанса. Колебания ударников стабилизируется, сила ударов, передаваемых колонне, возрастает.

Другим параметром регулирования частоты колебаний ударников является зазор между колонной и ударником. С увеличением зазора (в пределах установленных соотношений сечений колонны и ударника) частота ударов уменьшается и наоборот.

На практике параметрический резонанс системы (гирлянды ударников) можно контролировать по натяжению подвески (тягового троса подъемной лебедки). При переходе колебаний системы (гирлянды) в состояние резонанса натяжение гибкой подвески (тягового троса) резко возрастает. Это можно фиксировать по приборам контроля, например, с помощью каротажного подъемника.

Таким же образом можно контролировать разрывы столба жидкости в колонне, когда при увеличении скорости подъема гирлянды ударников еще более возрастает нагрузка на тяговый трос, и возникают резкие колебания этой нагрузки в результате разрыва жидкости.

Осевое перемещение ударника в одних случаях осуществляется с постоянной скоростью - при отлаженной схеме работ, например, во время цементирования обсадных колонн, когда ударную систему пропускают по всей длине колонны труб после закачки цементного раствора в заколонное пространство. Это предотвращает загустевание цементно-водной суспензии и снижает ее вязкость на 2-3 порядка [3] . В сложных случаях прихватов бурильных или обсадных колонн в скважинах параметры колебательной системы зачастую необходимо подбирать опытным путем для регулирования ударных нагрузок на колонну в определенных интервалах. В таких случаях требуется изменять скорость осевого перемещения ударника или применять варианты реверсивного движения и подергивания за подвеску.

В других случаях возникает необходимость снижения ударных нагрузок на колонну труб, например на зацементированную обсадную колонну, чтобы не нарушить цементный камень в заколонном пространстве. Это можно осуществить путем предварительной заливки в колонну жидкости с повышенной вязкостью. При заливке в колонну жидкости с вязкостью, равной вязкости глицерина, ударная нагрузка может быть снижена на 60-80%.

Выше приведенные пояснения предлагаемого технического решения в части способа могут быть перенесены на признаки, относящиеся к устройству по п. 13-15. По п. 16-21 ударник может быть выполнен в виде шара, цилиндра, конуса и их комбинаций. Наиболее широко применимым и технологичным предполагается ударник в виде шара. В то же время выполнение ударника в виде цилиндра или конуса или производных от них форм предполагает резкое возмущение скважинной жидкости, а следовательно, и разное поведение ударника при его осевом перемещении. Это важно не только для одиночного ударника, но и для гирлянды ударников, особенно при работе в скважине с целью воздействия на пласт. Такое воздействие можно производить при скоростях подъема, когда возникают разрывы столба жидкости. Разрывы жидкости в колонне в свою очередь создают кавитационные полости, при схлопывании которых имеет место эффект всасывания жидкости из пласта и порождаются ударные волны. Это позволяет осуществлять декольматацию продуктивных пластов, очистку фильтров и микрогидроразрыв призабойной зоны, что в итоге кратно повышает производительность скважин по добыче пластовых флюидов, в частности нефти и газа.

При размещении одних ударников в гирлянде в зоне гидравлического влияния других параметры колебательной системы меняются. Подбором разных конфигураций ударников и их размещения друг относительно друга можно задавать резонансные колебания в разных условиях.

Предлагаемый способ возбуждения поперечных колебаний труб в скважине может быть проиллюстрирован на нескольких примерах.

На фиг. 1,а - з показаны варианты компоновки ударников; на фиг. 2,а - г показаны варианты устройства в виде гирлянды одноразмерных шаров.

Устройство для реализации предполагаемого способа включает колонну (1), наполненную полностью или частично жидкостью (2). Внутри колонны (1) размещен ударник (3), например шар. Он выполнен с поперечным сечением (диаметром), составляющим отношение с внутренним поперечным сечением колонны в пределах 0,9-0,98. Ударник (3) имеет ограничитель осевого перемещения, который выполнен в виде гибкой подвески (4). Один конец гибкой подвески (4) связан с ударником (3), а другой закреплен на устье скважины (5), например связан с каротажным подъемником (6). Ниже ударника (3) на гибкой подвеске закреплен, например, груз (7).

Устройство работает следующим образом: 1. При ликвидации прихвата труб ударник спускают, например, в обсадную колонну, заполненную жидкостью (например, буровым раствором), и доводят до места прихвата (фиг. 2,а). Затем ударник перемещают вверх и вниз на длину прихваченных труб. При обтекании жидкостью движущегося ударника (например, шара) в зазоре между ним и трубой давление падает и ударник наносит удар по стенкам колонны. Колонна получает радиальное смещение и освобождается от прихвата. Для усиления ударных импульсов при ходе ударника вверх находят скорость, при которой имеет место параметрический резонанс системы, что фиксируется по натяжению гибкой подвески на подъемной лебедке.

2. Для виброобработки цементного раствора (фиг. 2,б) ударник спускают на тросе в обсадную колонну и допускают вниз до башмака. Затем осуществляют закачку и продавку цементного раствора в затрубное пространство скважины и одновременно производят подъем гирляндного ударника. Последний создает высокочастотные вибрации колонны, которые передаются в восходящий объем цементного раствора, снижая его вязкость и предотвращая загустевание, а также преждевременное схватывание. Спуск и подъем ударника в обсадной колонне здесь производится через лубрикатор.

3. Для очистки фильтра или зоны перфорации в эксплуатационной колонне (фиг. 2, в) ударник спускают в интервал вскрытия продуктивного пласта под уровень жидкости и осуществляют реверсивное движение лебедкой вверх и вниз. При этом ударник производит механические удары и гидравлические импульсы, которые обеспечивают очистку фильтра и призабойной зоны пласта от кольмататов и тем самым ликвидируют скин-эффект и восстанавливают проницаемость забоя.

4. Для воздействия на пласт (фиг. 2,г) ударник спускают в эксплуатационную колонну и размещают в интервале перфорации. Затем осуществляют резкий подъем гирлянды с ускорением, при котором происходит разрыв столба жидкости вслед за элементами ударника. При схлопывании полостей разрыва генерируются ударные волны, через посредство которых осуществляются воздействие на пласт. Результатом этого воздействия, как показал опыт, является увеличение приточности или приемистости, например, нефтяных объектов.

Конкретный пример реализации предлагаемого способа
В скважине была прихвачена обсадная колонна диаметром 324 мм на глубине 224 м в результате выпучивания вечномерзлых пород. Попытки расхаживать колонну успеха не имели. Осуществить циркуляцию жидкости в скважине и промыть заколонное пространство было невозможно. Для освобождения колонны внутрь нее спустили с помощью каротажного подъемника гирлянду из двух одноразмерных шаров 300 мм на цепной связке между собой весом 560 кг с учетом облегчения в буровом растворе плотностью 1,2 г/см³. При подъеме такого ударника со скоростью ~1 м/с он совершает параметрические колебания и передает колонне периодические удары с частотой ~8 ударов/с. После 3-спуско-подъемов ударника в интервале 60 м в зоне прихвата колонна была освобождена и доведена до проектной глубины.

Источники информации
1. SU734386 A, 15.05.1980.

2.US 5273114 A, 28.12.1993.

3.Урьев Н.Б. и др. Реологические свойства цементно-воздушных суспензий в условиях вибраций. N 4, ДАН СССР, с. 1963.

Формула изобретения

1. Способ возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине, включающий помещение в колонну труб с жидкостью ударника на гибкой подвеске и возбуждение его радиальных периодических колебаний с передачей на колонну поперечных ударов, отличающийся тем, что в колонну помещают ударник или ударники, которые выполняют с максимальным поперечным сечением, составляющим отношение с внутренним поперечным сечением колонны в пределах 0,9 - 0,98, а радиальные периодические колебания ударника или ударников создают за счет их осевого перемещения в колонне со скоростью, которую выбирают из условия передачи на колонну ударов необходимой силы.

2. Способ возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п. 1, отличающийся тем, что силу ударов, передаваемых на колонну, регулируют весом груза, размещенным под ударником на гибкой подвеске.

3. Способ возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п. 1, отличающийся тем, что силу ударов, передаваемых на колонну, регулируют количеством ударников, размещенных друг под другом на гибкой подвеске.

4. Способ возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п. 1, отличающийся тем, что силу ударов, передаваемых на колонну, регулируют вязкостью жидкости в колонне.

5. Способ возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п. 1, отличающийся тем, что силу ударов, передаваемых на колонну, регулируют за счет различного наполнения жидкости в колонне газовой фазой.

6. Способ возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п. 1, отличающийся тем, что силу и частоту ударов, передаваемых на колонну, регулируют за счет ускорения перемещения ударника.

7. Способ возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п. 1, отличающийся тем, что силу и частоту ударов, передаваемых на колонну, регулируют зазором между ударником и внутренним поперечным сечением колонны.

8. Способ возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п. 1, отличающийся тем, что силу и частоту ударов, передаваемых на колонну, регулируют за счет изменения формы ударников.

9. Способ возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п. 1, отличающийся тем, что силу и частоту ударов, передаваемых на колонну, регулируют различным расстоянием между ударниками в гирляндной подвеске.

10. Способ возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п. 1, отличающийся тем, что осевое перемещение ударника осуществляют со скоростью, при которой происходят разрывы столба жидкости в колонне.

11. Способ возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п. 1, отличающийся тем, что режим колебаний ударника контролируют на устье скважины по натяжению гибкой подвески.

12. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине, включающее колонну труб, частично или полностью заполненную жидкостью, ударник, помещенный в колонне, и ограничитель осевого перемещения ударника, выполненный в виде гибкой подвески, один конец которой связан с ударником, отличающееся тем, что в колонне помещен ударник или ударники, которые выполнены с максимальным поперечным сечением, составляющим отношение с внутренним поперечным сечением колонны в пределах 0,9 - 0,98, при этом другой конец гибкой подвески закреплен на устье для осевого перемещения ударника или ударников в колонне.

13. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п. 12, отличающееся тем, что под ударником размещен груз на гибкой подвеске.

14. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п.12, отличающееся тем, что ударник выполнен в виде гирлянды ударников, размещенных друг под другом на гибкой подвеске.

15. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п.12, отличающееся тем, что ударник выполнен в виде шара.

16. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п.12, отличающееся тем, что ударник выполнен в виде цилиндра.

17. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п.12, отличающееся тем, что ударник выполнен в виде конуса.

18. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п.12, отличающееся тем, что ударник выполнен в виде цилиндра и связанного с ним полушара.

19. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п.12, отличающееся тем, что ударник выполнен в виде конуса и связанного с ним полушара.

20. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п.12, отличающееся тем, что ударник выполнен в виде шара и связанного с ним полушара.

21. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п.14, отличающееся тем, что ударники в гирлянде размещены на одинаковом расстоянии друг от друга.

22. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п.14, отличающееся тем, что ударники в гирлянде размещены на разных расстояниях друг от друга.

23. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п.14, отличающееся тем, что ударники в гирлянде выполнены одинаковой формы.

24. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п.14, отличающееся тем, что ударники в гирлянде выполнены разной формы.

25. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п.14, отличающееся тем, что ударники в гирлянде выполнены разными по массе.

26. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по одному из пп.12, 15 - 20, отличающееся тем, что ударник выполнен полым и его полость заполнена жидкостью с плотностью 1 - 13,6 г/см³.

27. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по одному из пп.12, 15 - 20, отличающееся тем, что ударник выполнен полым и его полость частично заполнена жидкостью с плотностью 1 - 13,6 г/см³.

28. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п.12, отличающееся тем, что колонна частично или полностью наполнена жидкостью с плотностью 1 - 13,6 г/см³.

29. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п.12, отличающееся тем, что колонна частично или полностью наполнена жидкостями с разной плотностью.

30. Устройство для возбуждения поперечных колебаний колонны труб в скважине по п.12, отличающееся тем, что колонна частично или полностью наполнена жидкостями с разной вязкостью.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2