СКВАЖИНА ДЛЯ ДОБЫЧИ ИЛИ НАГНЕТАНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ И СПОСОБ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ РАЗУПЛОТНЕНИЯ ИЛИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ УПЛОТНЕННОГО ГРАВИЯ В СКВАЖИНЕ Российский патент 1996 года по МПК E21B43/08 

Настоящее изобретение относится к области горного дела и, в частности, к скважине для добычи или нагнетания текучей среды и способу предупреждения разуплотнения или перемещения уплотненного гравия в скважине.

Включения песка в добываемой из скважины текучей среды из разрозненных подземных нефтяных или газовых зон является постоянной проблемой в нефтяной промышленности. Они вызывают эрозию добывающего оборудования и могут закупорить скважину, вызывая снижение уровня производительности или полную потерю продукции.

Эффективным средством для решения этой проблемы является метод уплотнения гравия, который включает размещение трубы в стволе скважины и укладывание гравия вокруг нее. Труба имеет прорези или иные отверстия в стенке, которые по размерам меньше, чем частицы гравия настолько, чтобы пропускать поток жидкости из пласта, одновременно предупреждая прохождение частиц. Обычно частицы гравия подбирают по размеру, исключающему частицы срединного пласта. Таким образом, уплотненный гравий и сетку подбирают для абсолютного исключения частиц пласта и частиц гравия из трубы.

Кроме того, современные методики для выполнения жестких требований к размеру гравия привели в результате к снижению разрушений уплотненного гравия, возникающих вследствие внедрения частиц грунта. Несмотря, однако, на улучшенные технологии уплотненного гравия проблема его разрушения остается. Даже при должным образом калиброванном гравии любые отклонения в пористости в результате разуплотнения, при сопутствующем изменении в установившейся скорости истечения жидкости, могут вызвать расщепление частиц грунта или разрушение грунта с последующим его истечением в любую открытую пустоту или просачиванием в перфорацию или зазоры. Полное разрушение уплотненного гравия может произойти, когда скачок давления вызывает подвижку гравия в перекрытую зону, вследствие чего в трубу открывается прямой доступ песчаным частицам, которые невозможно удержать. Перекрытая зона в этом случае представляет собой кольцевое пространство между верхом уплотненного гравия и пакером, через которые проходит подающая труба.

Самым характерным источником резкого всплеска давления является закупорка скважины. Обычно, когда начинается подача, после того как установлен уплотненный гравий, давление внутри трубы уменьшается из-за различных перепадов давления, вызванных протеканием жидкости через скважину. В результате, жидкость будет стекать из перекрытой зоны через уплотненный гравий в трубу для выравнивания давления. Когда скважина закупорена, давление в стволе скважины вырастет до коллекторного напора и, для обеспечения давления в перекрытой зоне равной напорному давлению, отток жидкости будет происходить из грунта вверх к уплотненному гравию в закрытую зону. Если давление растет быстро, скорость истечения в перекрытую зону может стать настолько большой, что гравий сдвигается или разуплотняется. Следует иметь в виду, что применение одного из терминов "подвигать" или "разуплотнять" в настоящем описании и формуле не дает оснований ограничиваться одним из этих частных типов движения, но охватывает поточное движение вообще, исключая движение как результат взвешенных в веществе-носителе частиц.

Значение вышеуказанной проблемы может быть установлено со временем, когда окажется, что скважины забиваются много раз в году, не столько из-за эксплуатационных потребностей, сколько из-за постоянного срабатывания систем аварийной остановки, которые включаются в ответ на колебания давления или осадку устройств или из-за неблагоприятных погодных условий. Когда на таких скважинах возобновляют добычу, может произойти снижение производительности, возможно даже, до полной потери производства из-за засорения скважины песком.

Ранее предполагалось, что путем определения минимальной скорости, необходимой для разуплотнения подложки гравия, может быть вычислено время закупорки, за которое эта скорость достигается. Затем разуплотнение может быть предупреждено путем подбора операций таким образом, чтобы процесс закупорки был дольше, чем подсчитанное минимальное время закупорки. На практике внедрение такого способа не только трата времени, но и невозможно, поскольку имеется много установок на аварийные ситуации закупорки, приведенные выше.

Предполагалось также, что уплотненный гравий, способный выдерживать резкие всплески давления и скорости истечения без разуплотнения гравия, позволит решить эту проблему. Упрочненный уплотненный гравий может быть внедрен путем применения гравия, покрытого невулканизированной резиной или смешан с жидкой резиной при обычном замесе уплотненного гравия с цементом. Упрочненный уплотненный гравий имеет то преимущество, что быстро набивается, но со значительно большим расширением, чем обычный уплотненный гравий. Недостаток упрочненных систем заключается в том, что они имеют низкую проницаемость и пористость и возможность объемного разрушения из-за нарушения покрытия, после чего требуется химическая стимуляция. Во многих случаях необходима также вулканизация на воздухе для создания высокопрочной резиновой связки, которая не разрушается. Вулканизация резиновых систем в условиях по месту наполнения также может дать результат при использовании менее требовательного резинового покрытия.

Было бы в высшей степени желательно предупредить разуплотнение или подвижку уплотненного гравия вне зависимости от действия аварийных отключающих систем, срабатывающих от сигналов закупорки скважины. Желательно также, чтобы эти преимущества сопровождались экономическими и прочностными достоинствами.

Известна скважина для добычи или нагнетания текучей среды, содержащая обсадную колонну, перекрывающую продуктивный пласт, трубу, выполненную в виде подающей и перфорированной колонн, установленных в обсадной колонне, уплотненный гравий, помещенный в межколонном пространстве обсадной и перфорированной колонны, и пакер, помещенный на трубе над уплотненным гравием.

Известен способ предупреждения разуплотнения или перемещения уплотненного гравия в скважине для добычи или нагнетания текучей среды, раскрытый в авторском свидетельстве СССР N 1413240. Этот способ включает в себя установку перфорированной колонны в обсадной колонне и соединение ее с подающей колонной, выходящей в устье скважины и имеющей окно и распределительный узел с выходным окном, совмещенным с окном в подающей колонне. Далее осуществляют введение гравия в обсадную колонну скважины через трубу и его уплотнение.

Однако вышеописанные скважина и способ недостаточно эффективны для предупреждения разуплотнения или перемещения уплотненного гравия.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности предупреждения разуплотнения или перемещения уплотненного гравия в скважине для добычи или нагнетания текучей среды.

Этот технический результат достигается тем, что скважина для добычи или нагнетания текучей среды содержит обсадную колонну, перекрывающую продуктивный пласт, трубу, выполненную в виде подающей и перфорированной колонн, установленных в обсадной колонне, уплотненный гравий, помещенный в межколонном пространстве обсадной и перфорированной колонны, и пакер, помещенный на трубе над уплотненным гравием, согласно изобретению, снабжена клапанным узлом, помещенным на перфорированной колонне между пакером и уплотненным гравием, причем клапанный узел выполнен с возможностью открытия его запорных элементов от скачкообразного повышения дифференциального давления в уплотненном гравии и в перфорированной колонне и установлен в нормально закрытом положении.

Кроме того, технический результат достигается и тем, что в способе предупреждения разуплотнения или перемещения уплотненного гравия в скважине для добычи или нагнетания текучей среды, при котором устанавливают перфорированную колонну в обсадной колонне, соединяют ее с подающей колонной, выходящей в устье скважины и имеющей окно и распределительный узел с выходным окном, совмещенным с окном в подающей колонне, вводят гравий в обсадную колонну скважины через трубу и его уплотняют, согласно изобретению, на перфорированной колонне между пакером и верхней отметкой уплотнительного гравия устанавливают клапанный узел, который выполняют с возможностью его закрытия при дифференциальных давлениях во время введения гравия в обсадную колонну и во время добычи текучей среды и его открытия под действием заданной величины скачкообразного дифференциального давления на уплотненный гравий и в перфорированной колонне, при этом заданную величину скачкообразного дифференциального давления выбирают меньшей расчетного давления разуплотненного гравия.

Из вышесказанного ясно, что клапанный узел находится в нормально закрытом состоянии, но предназначен открываться при повышении давления среды в уплотненном гравии, вызванного всплеском давления таким, какой возникает при закупорке скважины или изменении скорости.

Клапанный узел имеет один или более запорных элементов, на которые в закрытом положении воздействует сила, меньшая, чем давление, вызывающее перемещение или разуплотнение уплотненного гравия, т.е. ненагруженное состояние, и т.д. Когда запорные элементы открыты, дифференциал давления в уплотненном гравии уменьшается, в результате чего давление, необходимое для возникновения разуплотнения гравия, не достигается.

Клапанный узел размещен так, что он не оказывает влияние на обычную работу скважины, включая наполнение гравием, протекание жидкой среды по скважине и продвижение инструмента через трубы. Хотя внедрение настоящего изобретения экономично и относительно просто, оно высоко эффективно в части предупреждения перемещения уплотненного гравия.

Особенности настоящего изобретения более подробно раскрыты в описании предпочтительного примера его реализации со ссылками на чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает схематичный вид с частичным продольным разрезом скважины, согласно настоящему изобретению;
фиг. 2 изображает в увеличенном масштабе вид с частичным поперечным разрезом части скважины, обозначенной кругом 2 на фиг. 1, иллюстрирующий клапанный узел, примененный в данном изобретении в закрытом состоянии;
фиг. 3 в увеличенном масштабе вид с частичным поперечным разрезом, аналогичный фиг. 2, при открытом состоянии клапанного узла;
фиг. 4 схематичный вид с частичным продольным разрезом, аналогичный фиг. 1, но иллюстрирующий действие перепада давления клапанного узла во время повышения давления;
фиг. 5 схематичный вид с частичным продольным разрезом, подобный фиг. 1, но иллюстрирующий клапанный узел в процессе наполнения гравием.

На фигуре 1 показана скважина для добычи или нагнетания текучей среды, содержащая обсадную колонну 1, перекрывающую продуктивный пласт 2, трубу, выполненную в виде подающей колонны 3 и перфорированной колонны 4, установленных в обсадной колонне 1. Обсадная колонна 1 закреплена слоем 5 цемента на стенке 6 ствола скважины. В межколонном пространстве обсадной колонны 1 и перфорированной колонны 4 помещен уплотненный гравий 7. На подающей колонне 3 над уплотненным гравием 7 установлен пакер 8.

Трубный насадок 9 проходит вниз от поверхности до точки, расположенной под пакером 8, который окружает трубный насадок 9, по меньшей мере, частично, удерживая его и уплотняя просвет между трубным насадком 8 и обсадной колонной 1. Хотя детали не показаны, подразумевается, что необходимое для работы скважины оборудование располагается на поверхности. Разгрузочный вентиль 10 размещен в трубопроводе 11, который, если его закрывают в процессе добычи, приводит к перекрытию скважины.

Трубный насадок 9 проходит ниже пакера 8 в верхней части подающей колонны 3, которая свешивается с пакера 8 известным в данной области техники образом. Перфорация колонны 4 выполнена посредством прорезей, проволочных свернутых сеток или других типов перфорации 12.

Предпочтительно, чтобы обсадная колонна 1 против продуктивного пласта 2 была выполнена перфорированной и гравий 7 мог заполнять перфорации 13 в колонне 1 и слое 14 через которые поступает добываемый из окружающего пласта 2 продукт. Гравий 7 может также проникать в полости пласта, расположенные вокруг слоя 5 цемента, в зависимости от структуры самого пласта 2.

Масса гравия, покоящаяся на пакере 15 и оканчивающаяся на верхнем уровне 16, представляет собой уплотненный гравий 7, назначение которого состоит в том, чтобы предупреждать доступ частиц песка в перфорированную колонну 4. На перфорированной колонне 4 между пакером 8 и уплотненным гравием установлен в нормально закрытом положении клапанный узел 17, выполненный с возможностью открытия его запорных элементов 18 от скачкообразного повышения дифференциального давления в уплотненном гравии 7 и в перфорированной колонне 4. Предпочтительно также, чтобы конструкция клапанного узла 17 промывочной трубы или кабельного инструмента обеспечивала проход через полость перфорированной колонны 4, не задевая клапанного узла 17.

На фиг. 2 клапанный узел 17 имеет круглое резьбовое отверстие 19 в стенке подающей колонны 3 с вставленной в него резьбовой муфтой 20. Муфта 20 имеет неотъемлемый фланец 21, который соединяется с наружной поверхностью подающей колонны 3 и уплотнен от просачивания жидкости соответствующими средствами такими, как, например, О-образное кольцо 22. Наружная часть муфты 20 выполняет функции клапанного седла 23 для запорного элемента 18, который в нормальном состоянии удерживается в соединении с клапанным седлом 23 действием пружины сжатия 24. Пружина 24 сжатия опирается у противоположного конца на крышку 25, имеющую цилиндрическое удлинение 26, соединенное с помощью резьбы 27 с внешней периферией фланца 21. Цилиндрическое удлинение 26 снабжено рядом окон 28, а крышка 25 имеет расположенное в центре отверстия 29, выполняющее функции вкладыша для размещения стержня 30 запорного элемента 18.

При работе клапанного узла, когда давление текучей среды в подающей колонне 3 установится больше, чем сила воздействия пружины 24, это давление будет отжимать запорный элемент 18 от седла 23 против действия пружины 24, а клапанный стержень 30 будет выходить через отверстие 29 при осуществлении такого действия. Запорный элемент 18 устанавливается при этом в положение, показанное на фиг. 3. Как видно, текучая среда в подающей колонне 3 будет теперь протекать через открытое клапанное седло 23 и окно 28, как показано стрелками потока. Это будет продолжаться до тех пор, пока сила пружины 24 не станет больше, чем давление среды в подающей колонне 3, и тогда клапан снова закроется. Очевидно, что хотя для иллюстрации на фиг. 2 и 3 представлено только два запорных элемента 18, их может быть столько, сколько необходимо.

На фиг. 2 и 3 показаны круглые сетки 31, расположенные на проточках 32, выполненных вокруг окон 25 цилиндрического удлинения 26. При изготовлении отверстий или ячеек сетки 31 с размерами, меньшими, чем размеры частиц гравиевой среды, клапанный узел 17 не будет засоряться в процессе укладки гравия. Если необходимо, может быть также размещена сетка 33 на входе в клапанный узел 17 в проточке 34 муфты 20, но это не следует рассматривать как существенный элемент, хотя при нормальных условиях не может быть гравия, засоряющего клапанный узел 17 с внутренней стороны подающей колонны 3.

Хотя показанный на фиг. 2 и 3 клапанный узел описан подробно, следует иметь в виду, что могут быть использованы при установке и другие типы клапанных узлов. Например, шаровой тип клапана с закрытой пружиной, который может быть применен с тем преимуществом, что шарик вращается и устанавливается в различных положениях, подвергая износу большую поверхность. Это может быть предметом особого применения в абразивной среде подобно рассматриваемому предложению. На подающей колонне 3 между пакером 8 и клапанным узлом 17 расположен распределительный узел 35 (фиг. 5), выполненным с окном 36 для насыпания гравия в заколонное пространство подающей колонны 3 и элементом 37, перекрывающим окно 36. Окно 36 совмещено с окном 38 в подающей колонне 3. Благодаря тому, что выходные окна 36, 38 расположены выше клапанного узла 17, этот узел 17 не оказывает влияния на засыпку уплотненного гравия. После засыпки уплотненного гравия распределенный узел 35 снимают и заменяют трубные звенья, как показано на фиг. 1. При нормальной работе устройства окна 36, 38 перекрыты концом трубного насадка 9. Окна 36, 38 не выполняют, таким образом, никаких функций после того, как пропущен гравий для засыпки через распределительный узел 35. Клапанный узел 17 должен быть, поэтому, размещен ниже окон 36, 38 так, чтобы оставаться доступным для давления добываемой текучей среды, в то время как она проходит по подающей колонне 3. Для активной работы, требующей впрыска текучей среды, рабочее звено пакера, или трубный пакер, может быть установлено ниже или поперек выходных окон 36, 38 и клапанного узла 17 для изолирования их от системы. Это позволит впрыснуть текущую среду только над перфорированной колонной 4, а не через клапанный узел 17 или окна 36, 38.

Как показано выше, сила клапанного узла 17 должна быть меньше, чем давление текучей среды, которое создается в уплотненном гравии для того, чтобы он стал подвижным или разуплотненным. Это может быть вычислено для любой конкретной скважины известными методиками, включающими определение минимального падения давления, необходимого для разуплотнения, как установлено в SPE 14160, отчет Общества Инженеров Нефтяников под названием "Understanding Changing Wellbork Pressure Improves Sand Control Longerity", который представлен на собрании Общества Инженеров Нефтяников 22 25 сентября 1985 г.

Согласно фиг. 1, прежде, чем начать добычу после размещения уплотненного гравия 7, текучая среда, задержанная в перекрытой зоне 39 после того, как устоялся гравий 7, создает в этой зоне 39 и в уплотненном гравии 7 давление, в основном, одинаковое. На начало добычи текучей среды давление в уплотненном гравии 7 повышается из-за напорного откачивания, и это вызывает при добыче более высокое давление в перекрытой зоне 39, в то время, как давление жидкости в этой зоне 39 и гравии 7 стремится выравняться. Установившийся, в основном, режим добычи показан на фиг. 1, где стрелками 40 указано истечение потока добываемой текучей среды на поверхность через подающую трубу 3 и трубный насадок 9. Если скважину внезапно перекрывают закрытием вентиля 10, давление в уплотненном гравии 7 падает до статического напора, что способствует перетеканию текучей среды из уплотненного гравия 7 в перекрытую зону 39 при стремлении выравнять давление в скважине. Когда перепад давления значительный, скачок давления быстро становится достаточным для того, чтобы вызвать разуплотнение или перемещение уплотненного гравия 7 со всеми сопутствующими явлениями.

Разуплотнения гравия 7 от закупорки скважины не происходит, если используется устройство согласно настоящему изобретению. По фиг. 4, когда давление жидкости в уплотненном гравии 7 поднимается до критического заранее заданного значения, давление жидкости, поднимающейся по подающей колонне 3, будет превосходить силу, создаваемую пружиной 24, и поток станет перетекать через клапанный узел 17 в перекрытую зону 39, как показано по стрелками 41. Это немедленно увеличивается давление в перекрытой зоне 39 и уменьшает движение жидкости из уплотненного гравия 7 к этой зоне 39, что значительно опережает возможное перемещение уплотненного гравия. Жидкость будет продолжать перетекать через клапанный узел 17 в перекрытую зону 39 до тех пор, пока давление жидкости в зоне 39 и в гравии 7 не выравнятся. На скважине, повторно введенной в эксплуатацию, уплотненный гравий 7 останется нетронутым при полной производительности, потому что при предварительном замесе сырого гравия перед уплотнением не могло быть включения песка, которое существенно снизило бы проницаемость уплотненного гравия. Кроме того, песок не будет поступать из-за того, что его нет в перфорированной колонне 4 по ходу движения во время закупоривания скважины.

Хотя изобретение применяется на скважинах описанного выше типа, оно может быть использовано также в терминальных скважинах, в которых происходит нагнетание пара. Клапанный узел 17 по настоящему изобретению исключает разуплотнение уплотненного гравия, когда появляется несбалансированное давление при временном паровом потоке, поступающем в скважину в начале работы.

В течение производственного цикла такой скважины клапанный узел 17 закрыт, в результате чего также предупреждается разуплотнение уплотненного гравия. Для специалиста в данной области понятно, что изобретение может быть использовано также для выравнивания давления в горизонтальных скважинах.

Теперь можно признать, что настоящее изобретение обеспечивает простой и даже эффективный способ избежать разуплотнения уплотненного гравия, вызываемого скачком давления в случае закупорки скважины.

Использование: в промышленных скважинах для добычи текучей среды, которые используют уплотненный гравий для предупреждения поступления песка в добываемой из скважины жидкой среды. Обеспечивает предупреждение разуплотнения или подвижки уплотненного гравия в скважине. Сущность изобретения в части устройства: оно включает обсадную колонну, перекрывающую продуктивный пласт. В обсадной колонне установлена труба. Она выполнена в виде подающей и перфорированной колонн. В межколонном пространстве обсадной и перфорированной колонн помещен уплотненный гравий. На трубе над уплотненным гравием помещен пакер. Между пакером и уплотненным гравием на перфорированной колоне помещен клапанный узел. Он выполнен с возможностью открытия его запорных элементов от скачкообразного повышения дифференциального давления в уплотненном гравии и в перфорированной колонне. Клапанный узел установлен в нормально закрытом положении. Сущность изобретения в части способа: клапанный узел выполняют с возможностью его закрытия при дифференциальных давлениях во время введения гравия в обсадную колонну и во время добычи текучей среды. Открытие клапанного узла осуществляют под действием заданной величины скачкообразного дифференциального давления на уплотненный гравий и в перфорированной колонне. Заданную величину скачкообразного дифференциального давления принимают меньшей расчетного давления разуплотнения гравия. 2 с.п. ф-лы, 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Скважина для добычи или нагнетания текучей среды, содержащая обсадную колонну, перекрывающую продуктивный пласт, трубу, выполненную в виде подающей и перфорированной колонн, установленных в обсадной колонне, уплотненный гравий, помещенный в межколонном пространстве обсадной и перфорированной колонн, и пакер, помещенный на трубе над уплотненным гравием, отличающаяся тем, что она снабжена клапанным узлом, помещенным на перфорированной колонне между пакером и уплотненным гравием, причем клапанный узел выполнен с возможностью открытия его запорных элементов от скачкообразного повышения дифференциального давления в уплотненном гравии и в перфорированной колонне и установлен в нормальном закрытом положении. 2. Скважина по п. 1, отличающаяся тем, что клапанный узел выполнен с возможностью открытия его запорных элементов от давления, меньшего давления разуплотнения гравия. 3. Скважина по п. 1, отличающаяся тем, что клапанный узел размещен на наружной поверхности перфорированной колонны. 4. Скважина по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена распределительным узлом, помещенным на подающей колонне между пакером и клапанным узлом и выполненным с окном для насыпания гравия в заколонное пространство подающей колонны и элементом, перекрывающим окно. 5. Скважина по п. 1, отличающаяся тем, что обсадная колонна против продуктивного пласта выполнена перфорированной. 6. Скважина по п. 3, отличающаяся тем, что запорный элемент клапанного узла содержит пружину, связанную с седлом запорного элемента. 7. Скважина по п. 3, отличающаяся тем, что она снабжена защитной сеткой, помещенной снаружи седла клапанного узла. 8. Способ предупреждения разуплотнения или перемещения уплотненного гравия в скважине для добычи или нагнетания текучей среды, при котором устанавливают перфорированную колонну в обсадной колонне, соединяют ее с подающей колонной, выходящей в устье скважины и имеющей окно и распределительный узел с выходным окном, совмещенным с окном в подающей колонне, вводят гравий в обсадную колонну через трубу и уплотняют его, отличающийся тем, что на перфорированной колонне между пакером и верхней отметкой уплотненного гравия устанавливают клапанный узел, который выполняют с возможностью его закрытия при дифференциальных давлениях во время введения гравия в обсадную колонну и во время добычи текучей среды и его открытия под действием заданной величины скачкообразного дифференциального давления на уплотненный гравий и в перфорированной колонне, при этом заданную величину скачкообразного дифференциального давления выбирают меньшей расчетного давления разуплотнения гравия.