СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ ГРАВИЕМ УЧАСТКА БУРОВОЙ СКВАЖИНЫ И КЛАПАННО-ВЫПУСКНОЙ УЗЕЛ УСТРОЙСТВА Российский патент 1998 года по МПК E21B43/04 

Настоящее изобретение относится к области добычи нефти, а более того, к способу и устройству для заполнения скважины гравием и клапанно-выпускному узлу этого устройства.

При добыче углеводородов или подобных ему веществ из сыпучих или неуплотненных и/или дробленных подземных пород, наряду с текучими средами часто добываются большие объемы веществ в виде частиц (например, песка). Эти частицы, как правило, вызывают различные проблемы, которые приводят к повышению стоимости добычи и существенным простоям. Например, в большинстве случаев, частицы в добытых текучих средах приводят к эрозии буровой трубы и другого бурового оборудования; к частичной или полной закупорке скважины, что вызывает необходимость полной выемки скважины; к образованию пустот в породе и разрушению обсадной трубы; к дополнительной обработке текучих сред на поверхности для извлечения частиц; и к дополнительным расходам на размещение извлеченных частиц. Соответственно, очень важно контролировать выработку частиц на большей части этапов добычи.

Вероятно наиболее распространенным способом, используемым для контроля выработки из скважины частиц (например, песка), является способ, известный как "гравийное заполнение". Обычно при заполнении гравием в буровую скважины опускается фильтр, который размещается впритык к заполняемому участку скважины. Специальное вещество, обобщенно названное в дальнейшем "гравий", затем накачивается в виде суспензии в нижнюю часть трубы, на которой навешен фильтр.

Суспензия выходит из трубы над фильтром через "переход" или нечто подобное и стекает вниз, в кольцевое пространство, образованное между фильтром и обсадной колонкой или стенкой некрепленой скважины. Жидкость, содержащая в суспензии, поступает в формацию и/или в отверстия в фильтре, которые имеют размеры, не позволяющие прохождение сквозь него гравия. В результате гравий оказывается помещенным или "отсеянным" в кольцевое пространство вокруг фильтра, где он собирается, формируя гравийное уплотнение. Размеры гравия таковы, что он формирует проницаемую массу вокруг фильтра, которая позволяет добываемым текучим средам протекать сквозь нее и сквозь фильтр, но при этом задерживает сопутствующие частицы.

Одной из основных проблем, связанных с заполнением гравием, особенно, когда должны быть заполнены участки значительной длины или наклонные участки, является равномерное распределение гравия по всему заполняемому участку, заполнение кольцевого пространства между фильтром и обсадкой колонной в закрепленных скважинах, или между фильтром и стенкой незакрепленной буровой скважины или скважины с увеличенным диаметром. Недостаточное распределение гравия (например, неокончательное заполнение участка, в результате чего в заполнении остались пустоты) часто бывает вызвано потерей жидкости, содержащейся в суспензии, в более проницаемые части участка породы, что в свою очередь, вызывает образование в гравийных (например, песчаных) "мостов" до того, как в кольцевое пространство помещен весь гравий. Эти "мосты" блокируют дальнейшее прохождение потока суспензии по кольцевому пространству, таким образом предотвращая размещение достаточного количества гравия под "мостом" при заполнении сверху вниз или над "мостом" при заполнении снизу вверх.

В патенте США N 4945991 описан способ заполнения гравием участка буровой скважины, при котором достигается хорошее распределение гравия по необходимому участку даже при образовании песчаных "мостов" до того, как туда помещен весь гравий. Согласно этому способу, вдоль внешней поверхности фильтра проложены перфорированные шунты или трубы, соединенные с источником гравийной суспензии, поступающей в кольцевое пространство в буровой скважине рядом с фильтром. Если песчаные "мосты" образовались до того, как помещен весь гравий, суспензия будет течь по трубам и наружу, в кольцевое пространство через отверстия в трубах до окончательного заполнения кольцевого пространства над и/или под "мостом". Подобный способ также описан в патенте США N 5113935.

Другие буры для нисходящих скважин, предназначенные для дробления формации (патент США N 5161618) или обработки формации (патент США N 5161613), имеют отдельные трубы или шунты, расположенные внутри корпуса или подобным образом, для доставки особой обрабатывающей или дробящей или дробящей жидкости на определенные уровни внутри буровой скважины. Однако выходные отверстия после завершения особой операции остаются открытыми, что наносить ущерб при осуществлении заполнения гравием. Из патента США N 5082052, кл. E 21 B 43/04, 1992 известен способ заполнения гравием участка буровой скважины, включающий размещение устройства для заполнения гравием в буровой скважине в положение, примыкающее к указанному участку, с образованием в нем между устройством и стенками скважины кольцевого пространства, подачу гравийной суспензии с поверхности и через внутреннее пространство устройства в различных точках внутри кольцевого пространства через множество выходных отверстий, расположенных на определенном расстоянии друг от друга вдоль устройства и закрытие выходных отверстий после распространения суспензии. В этом патенте раскрыто также устройство для заполнения гравием участка буровой скважины, содержащее фильтр, клапанно-выпускной узел, имеющий по меньшей мере одно выходное отверстие и клапан, выпускающий поток через выходное отверстие, при открытом положении клапана и блокирующий поток при его закрытом положении, средство для подачи гравийной суспензии к каждому из выходных отверстий в клапанно-выпускном узле количество которых равно, по меньшей мере, одному, и средство для закрытия указанного клапана. В этом патенте скважинный фильтр имеет множество патрубков или параллельно-соединенных труб, которые устанавливаются на его внешней стороне. Эти трубы имеют множество снабженных клапанами выходных отверстий, расположенных вдоль их длины, по которым гравий может быть доставлен на различные уровни кольцевого пространства скважины вокруг фильтра, в конечном счете блокирование возникает в кольцевом пространстве до того, как все оно будет заполнено. Трубы, расположенные снаружи фильтра, подвержены повреждению при установке фильтра внутри ствола скважины.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание способа и защищенного от повреждений при работе и монтаже устройства для заполнения гравием участка буровой скважины, обеспечивающих равномерное распределение гравия по всему участку, даже если до завершения размещения гравия на этом участке образовался песчаный "мост" или что-то подобное. Этот технический результат достигается тем, что в способе заполнения гравием участка буровой скважины, включающем размещение устройства для заполнения гравием в буровой скважине в положение, примыкающее к заполняемому участку, с образованием в нем между устройством и стенками скважины кольцевого пространства, подачу гравийной суспензии с поверхности и через внутреннее пространство устройства в различных точках внутри кольцевого пространства через множество выходных отверстий, расположенных на определенном расстоянии друг от друга вдоль устройства и закрытие выходных отверстий после распространения суспензии, согласно изобретению суспензию подают к расположенным на определенном расстоянии друг от друга выходным отверстиям по промывочной трубе, проходящей через устройство, а выходные отверстия закрывают в момент извлечения промывочной трубы из устройства.

Технический результат достигается также и тем, что устройство для заполнения гравием участка буровой скважины, содержащее фильтр, клапанно-выпускной узел, имеющий по меньшей мере одно выходное отверстие и клапан, выпускающий поток через выходное отверстие при открытом положении клапана и блокирующий поток при его закрытом положении, средство для подачи гравийной суспензии к каждому из выходных отверстий в клапанно-выпускном узле количество которых равно по меньшей мере одному, и средство для закрытия клапана, согласно изобретению устройство выполнено в виде множества соединенных между собой элементов, при этом фильтр, клапанно-выпускной узел, имеющий по меньшей мере одно выходное отверстие, клапан, выпускающий поток через выходное отверстие при открытом положении клапана и блокирующий поток при его закрытом положении, и средства для закрытия клапана содержатся в каждом из элементов, причем средство для подачи гравийной суспензии к каждому из выходных отверстий в клапанно-выпускном узле, количество которых равно по меньшей мере одному, выполнено с возможностью подачи гравийной суспензии через внутреннее пространство элементов, а клапанно-выпускной узел сообщен с фильтром.

Предпочтительно, чтобы средство для подачи к гравийной суспензии содержало промывочную трубу, проходящую через все элементы и имело соответствующее выходное отверстие, сообщенное с каждым выходным отверстием каждого клапанно-выпускного узла.

Целесообразно, чтобы средство для закрытия каждого клапана содержало средство на каждом клапане, приспособленное для захвата промывочной трубы и передвижения соответствующих клапанов в закрытое положение при извлечении промывочной трубы из элементов.

Желательно, чтобы устройство содержало средство для закрепления каждого клапана в закрытом положении.

Предпочтительно, чтобы устройство содержало переход, сообщенный с верхним концом элементов и имеющий по меньшей мере одн о выходное отверстие, сообщенное с выходным отверстием промывочной трубы.

Устройство может также содержать клапан для закрытия, по меньшей мере, одного выходного отверстия перехода, когда промывочная труба извлечена.

Промывочная труба предпочтительно содержит внешнюю трубу и размещенную концентрично ей внутреннюю трубу, при этом между ними образован проход, проходящий через указанные элементы.

Целесообразно, чтобы каждый клапанно-выпускной узел содержал цилиндрическое утолщение, имеющее радиальное выходное отверстие и кольцевую выемку на его внутренней поверхности, а клапан включал втулку-клапан, скользящую внутри выемки и подвижную между открытым и закрытым положениями, при этом втулка-клапан имел радиальное отверстие, сообщающееся с радиальным выходным отверстием при открытом положении клапана.

Вышеуказанный технический результат достигается и тем, что клапанно-выпускной узел для использования в устройстве для заполнения гравием, участка буровой скважины, содержащий клапан, выпускающий поток через выходное отверстие, при открытом положении клапана и блокирующий поток, при его закрытом положении, согласно изобретению, содержит цилиндрическое утолщение, приспособленное для соединения с устройством для заполнения гравием участка буровой скважины и имеющее радиальное выходное отверстие и кольцевую выемку на его внутренней поверхности, втулку-клапан, скользящую внутри выемки и подвижную между открытым и закрытым положениями, при этом втулка-клапан имеет радиальное отверстие, сообщенное с выходным отверстием при открытом положении клапана, и средство для закрепления клапана в закрытом положении.

На фиг.1 изображен вертикальный вид с частичным разрезом устройства для заполнения гравием участка буровой скважины, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, в рабочем положении внутри буровой скважины; на фиг. 2 - вид в перспективе в увеличенном масштабе одного из элементов устройства, показанного на фиг. 1; на фиг. 3 - вертикальный вид с частичным разрезом переходного утолщения и верхней части промывочной трубы устройства, показанного на фиг.1; на фиг. 4А - вертикальный вид с частичным разрезом клапанно-выпускного узла, показанного на фиг.2, при открытом положении клапана; на фиг. 4Б - вертикальный вид клапанно-выпускного узла, показанного на фиг.4А, в закрытом положении клапана.

Более детально, на фиг.1 изображена нижняя часть добывающей и/или нагнетающей скважины 1. Скважина 1 имеет ствол 2 скважины, проходящий от поверхности (на экране не показана) через неуплотненную и/или дробленную породу 3. Несмотря на то, что скважина 1 изображена по существу вертикальной и незакрепленной, понятно, что настоящее изобретение может быть применено и в закрепленных скважинах, и/или скважинах с увеличенным диаметром, также как и в горизонтальных и/или наклонных скважинах.

Устройство 4 для заполнения гравием участка буровой скважины 1 опускается в ствол 2 буровой скважины 1 на ее дно и размещается в положение, примыкающее к участку породы 3, который должен быть заполнен, при этом образуется кольцевое пространство 5 между устройством 4 и стенкой ствола 2 скважины 1.

Устройство 4 для заполнения гравием может состоять из всех или части следующих стандартных компонентов: установочного инструмента и переходного приспособления 6, пакера 7, переходного утолщения 8, отсеченного клапана 9, разрезного соединения 10 и стандартный полой трубы 11 необходимой длины. К нижней части полой трубы 11 присоединено одно или более элементов 12 устройства 4 (показаны три из них), соединенных между собой на расстоянии, по существу соответствующем участкам заполнения. Поскольку все элементы 12 имеют одинаковую конструкцию, только один из них будет описан детально.

Как описано на фигурах 2-4, каждый элемент 12 содержит клапанно-выпускной узел 13 со скользящей втулкой и фильтр 14. Термин "фильтр" используется здесь обобщено и включает все типы конструкций, используемых в промышленности для заполнения гравием, пропускающих поток текущих сред, но не пропускающих частицы (например, доступные на рынке экраны, перфорированные обсадные трубы, экранированные трубы, предварительно уплотненные экраны и/или обсадные трубы, или их комбинации).

Клапанно-выпускной узел 13 содержит цилиндрическое утолщение 15, имеющее в своих стенках одно или более радиальных выходных отверстий (16) для суспензии и кольцевую выемку 17 на его внутренней поверхности. Во внутренней выемке 17 установлена скользящая втулка-клапан 18, которая, в свою очередь, имеет радиальное отверстие 19, сообщающееся с выходными отверстиями 16 при открытом положении клапана 18 (фигура 4А). Скользящая втулка-клапан 18 имеет соответствующие кольцеобразные уплотнения 20, уплотняющие пространство между внешней поверхностью втулки-клапана 18 и внутренней поверхностью цилиндрического утолщения 15. Кольцевые уплотнители 21, 22 прикреплены к клапану 18 и размещены по обе стороны от отверстия 19, образуя кольцевой канал, сообщенный с отверстием 19.

Внутри выемки 17 под втулкой-клапаном 18 установлено с возможностью скольжения стопорное кольцо 23, имеющее, в свою очередь, внутренний и внешний подпружиненные стопоры 24, 25 соответственно, предназначение которых будет изложено ниже. Хотя стопорное кольцо 23 описано как отдельная деталь, понятно, что оно может быть составляющей частью втулки-клапана 18, не выполняющей функций каждой детали.

Имеющая особую конструкцию промывочная труба 26 размещена внутри рабочей колонны 27 и проходит от поверхности через все элементы 12 устройства 4. Как лучше видно на фигурах 2 и 3, нижний конец промывочной трубы 26 (например, ее часть, проходящая через элементы 12) состоит из двух концентрических труб 28, 29 между станками которых образован продольный проход 30, проходящий через все элементы 12. Верхний конец внутренней трубы 29 закрыт в точке 31 для того, чтобы направлять поток, направленный вверх, в один или более переходов 32 (на фигуре 3 показан только один из них), которые сообщены с кольцевым пространством 33, образованным между промывочной трубой 26 и трубой 34.

Малые переходные трубы 35 (фигуры 2 и 4А) сообщают внешнее пространство внешней трубы 29 с внутренним пространством внутренней трубы 28 промывочной трубы 26, формируя переходы для утечки жидкостей, назначение которых будет изложено ниже. Одно или более радиально ориентированных отверстий 36 (фигуры 4А, 4Б) проходят через внешнюю трубу 29 на расстоянии друг от друга вдоль трубы 29 так, что каждый канал 36 или несколько радиальных отверстий 36 расположены в ряд и соединяют проход 30 с кольцевым каналом, образованным между уплотнителями 21, 22 на втулке-клапане 18.

При использовании, устройство 4 опускается в ствол 2 буровой скважины 1 и размещается в положение, примыкающее к породе 3. Пакер 7 устанавливается в положение, известное специалисту. После этого гравийная суспензия закачивается вниз, в промывочную трубу 26, при этом большая часть суспензии сначала выходит через отверстие 19 во втулке-клапане 18 и через выходные отверстия 37 и цилиндрическом утолщении 8. Втулка-клапан 18 в цилиндрическом утолщении в основном имеет аналогичную конструкцию и принцип действия с другими клапанами 18, описанными выше, относительно элементов 12 устройства.

При движении гравийной суспензии вниз по кольцевому пространству 5 вокруг фильтра, жидкость из суспензии уходит в породу 3 и/или сквозь фильтр 14. Жидкость, поступающая через фильтр 14, возвращается на поверхность через переходы 35 (фигура 4А), внутреннюю трубу 28, переходы 32 и кольцевое пространство 33 (фиг. 3). Гравий, содержащий в суспензии, перемещается и помещается в кольцевом пространстве, формируя гравийное уплотнение. В известных устройствах (см. патент США N 4945991), при потере определенного количества жидкости из суспензии до того, как кольцевое пространство оказывается заполненным, создаются условия для образования песчаного "моста" (на чертеже не показан), который блокирует прохождение потока через кольцевое пространство 5 и предотвращает дальнейшее заполнение ниже "моста". Если это случается при использовании устройства, соответствующего настоящему изобретению, гравийная суспензия может продолжать движение вниз через проход 30 и наружу через соответствующие отверстия 36 во внешней трубе 29 и выходные отверстия 16 в соответствующих цилиндрических утолщениях 15.

Когда устройство 4 для заполнения гравием опускается в ствол 2 буровой скважины 1 все втулки-клапаны 18 удерживаются в открытом положении (фигура 4А) при помощи силы тяжести или срезаемыми шплинтами или чем-то подобным (на чертеже не показаны). В открытом положении радиальное отверстие 19 в соответствующей втулке-клапана 18 находится вровень с выходными отверстиями 16, 37 в цилиндрическом утолщении 15 или переходном утолщении 8 в возможном случае. Отверстие 19 в клапане 18 соединено с кольцевым каналом, образованным между кольцевыми уплотнителями 21, 22 на втулке-клапане 18, которая, в свою очередь, соединена с отверстиями 36 во внешней трубе 29.

Соответственно, суспензия, двигаясь вниз по проходу 30 между внутренней и внешней трубами 28, 29, будет течь через отверстия 36, 19, 16 в кольцевое пространство 5 в соответствующем местоположении клапанно-выпускного узла 13 для окончательного заполнения. Определенное количество жидкости, поступающее через фильтр 14, будет течь через переходы 35 (фигура 4А) во внутреннюю трубу 29 и возвращаться через переходное утолщение 8 на поверхность.

После заполнения кольцевого пространства 5, поток суспензии перекрывается, и промывочная труба 26 извлекается на поверхность. Подпружиненный в наружном направлении стопор 25 на кольце 23 захватит уступ 38 (фигуры 4А и 4Б) как только промывочная труба 26 пойдет вверх и вынудит стопорное кольцо 23 двигаться вверх, двигая таким образом втулку-клапан 18 в закрытое положение (фигура 4Б). При достижении клапаном 18 его закрытого положения, внутренний стопор 24 будет отжат во внешнем направлении в выемку 39 и зафиксирует соответствующий клапан 18 в закрытом положении. При дальнейшем движении промывочной трубы 26 вверх внешние стопоры 25 будут срезаны, благодаря чему промывочная труба 26 может быть извлечена на поверхность.

Распределение гравия непосредственно на различных уровнях кольцевого пространства из внутреннего прохода устройства для заполнения гравием обеспечивает лучшее распределение гравия по участкам, что приводит к повышению общей эффективности заполнения, особенно когда должны быть заполнены большие участки буровой скважины. В том же время, проходы, используемые для подачи гравия, защищены от повреждений при маневрировании и установке фильтра для заполнения гравием.

Изобретение относится к области добычи нефти, в частности к способу и устройству для заполнения скважины гравием. По способу заполнения гравием участка буровой скважины помещают устройство в скважине, примыкающей к заполняемому участку, подают гравийную суспензию с поверхности по промывочной трубе к выходным отверстиям. Выходные отверстия закрывают в момент извлечения промывочной трубы из устройства. Устройство для заполнения гравием участка буровой скважины содержит фильтр, клапанно-выпускной узел с выходным отверстием и клапаном, регулирующим поток, средство для подачи гравийной суспензии к каждому из выходных отверстий. Клапанно-выпускной узел сообщен с фильтром. Устройство выполнено в виде множества соединенных между собой элементов. В каждом элементе содержатся вышеуказанные компоненты. Гравийную суспензию подают через внутреннее пространство элементов. Суспензия двигается по проходу между внутренней и внешней трубами, течет через отверстия в кольцевое пространство к клапанно-выпускному узлу. Узел содержит клапан, цилиндрическое утолщение с радиальными отверстиями для суспензии, кольцевую выемку, скользящую втулку-клапан. Радиальное отверстие сообщено с выходным отверстием при открытом положении клапана. В закрытом положении клапан закрепляется внутренним стопором. Техническим результатом является повышение эффективности заполнения гравием участка буровой скважины за счет равномерного распределения гравия и защиты от повреждений при работе и монтаже. 3 с. и 7 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ заполнения гравием участка буровой скважины, включающий помещение устройства для заполнения гравием в буровой скважине в положение, примыкающее к заполняемому участку, с образованием в нем между устройством и стенками скважины кольцевого пространства, подачу гравийной суспензии с поверхности и через внутреннее пространство устройства в различных точках внутри кольцевого пространства через множество выходных отверстий, расположенных на определенном расстоянии друг от друга вдоль устройства, и закрытие выходных отверстий после распространения суспензии, отличающийся тем, что суспензию подают к расположенным на определенном расстоянии друг от друга выходным отверстиям по промывочной трубе, проходящей через устройство, а выходные отверстия закрывают в момент извлечения промывочной трубы из устройства. 2. Устройство для заполнения гравием участка буровой скважины, содержащее фильтр, клапанно-выпускной узел, имеющий по меньшей мере одно выходное отверстие и клапан, выпускающий поток через выходное отверстие при открытом положении клапана и блокирующий поток при его закрытом положении, средство для подачи гравийной суспензии к каждому из выходных отверстий в клапанно-выпускном узле, количество которых равно по меньшей мере одному, и средство для закрытия клапана, отличающееся тем, что оно выполнено в виде множества соединенных между собой элементов, при этом фильтр, клапанно-выпускной узел, имеющий по меньшей мере одно выходное отверстие, клапан, выпускающий поток через выходное отверстие при открытом положении клапана и блокирующий поток при его закрытом положении, и средства для закрытия клапана содержатся в каждом из элементов, причем средство для подачи гравийной суспензии к каждому из выходных отверстий в клапанно-выпускном узле, количество которых равно по меньшей мере одному, выполнено с возможностью подачи гравийной суспензии через внутреннее пространство элементов, а клапанно-выпускной узел сообщен с фильтром. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средство для подачи к гравийной суспензии содержит промывочную трубу, проходящую через все элементы, и имеет соответствующее выходное отверстие, сообщенное с каждым выходным отверстием каждого клапанно-выпускного узла. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что средство для закрытия каждого клапана содержит средство на каждом клапане, приспособленное для захвата промывочной трубы и передвижения соответствующих клапанов в закрытое положение при извлечении промывочной трубы из элементов. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно содержит средство для закрепления каждого клапана в закрытом положении. 6. Устройство по любому из пп. 3-5, отличающееся тем, что оно содержит переход, сообщенный с верхним концом элементов и имеющий по меньшей мере одно выходное отверстие, сообщенное с выходным отверстием промывочной трубы. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что оно содержит клапан для закрытия по меньшей мере одного выходного отверстия перехода, когда промывочная труба извлечена. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем что промывочная труба содержит внешнюю трубу и размещенную концентрично ей внутреннюю трубу, при этом между ними образован проход, проходящий через указанные элементы. 9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что каждый клапанно-выпускной узел содержит цилиндрическое утолщение, имеющее радиальное выходное отверстие и кольцевую выемку на его внутренней поверхности, а клапан включает втулку-клапан, скользящую внутри выемки и подвижную между открытым и закрытым положениями, при этом втулка-клапан имеет радиальное отверстие, сообщающееся с радиальным выходным отверстием при открытом положении клапана. 10. Клапанно-выпускной узел для использования в устройстве для заполнения гравием участка буровой скважины, содержащий клапан, выпускающий поток через выходное отверстие при открытом положении клапана и блокирующий поток при его закрытом положении, отличающийся тем, что он содержит цилиндрическое утолщение, приспособленное для соединения с устройством для заполнения гравием участка буровой скважины и имеющее радиальное выходное отверстие и кольцевую выемку на его внутренней поверхности, втулку-клапан, скользящую внутри выемки и подвижную между открытым и закрытым положениями, при этом втулка-клапан имеет радиальное отверстие, сообщенное выходным отверстием при открытом положении клапана, и средство для закрепления клапана в закрытом положении.