СПОСОБ УСТАНОВКИ ДВУХСТЕННОЙ ИЗОЛИРОВАННОЙ КОЛОННЫ ТРУБ И ДВУХСТЕННАЯ ИЗОЛИРОВАННАЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ КОЛОННА Российский патент 2000 года по МПК E21B17/00 E21B33/47 

Настоящее изобретение относится к двухстенной изолированной эксплуатационной колонне труб и к способу установки ее в скважине, например в геотермальной или нефтяной скважине.

Существует необходимость в обеспечении исключительных теплоизолирующих свойств для эксплуатационной колонны труб, которая должна подавать теплые или горячие жидкости на поверхность с большой глубины. Другими словами, требуется уменьшить до минимума охлаждение жидкости во время ее передачи со дна скважины наверх, даже если температура окружающих формаций может уменьшаться на 3^oC на 100 метрах.

Это применяется в следующих скважинах:
1. Геотермальные скважины, из которых добывают горячую воду из глубоких водоносных пластов при относительно низких скоростях потока, где иначе тепловая вода будет значительно охлаждаться во время ее передачи на поверхность, в результате тепловая энергия, необходимая для потребителя, будет теряться.

2. Замкнутые геотермальные скважины, где теплую жидкость из теплообменника, которой обычно является вода, накачивают вниз на дно скважины в кольцеобразное пространство, образованное между сцементированной обсадной колонной и эксплуатационной колонной труб, во время извлечения тепловой энергии из окружающих формаций и последующей передачи тепловой энергии на поверхность через эксплуатационную колонну.

3. Нефтяные скважины, добывающие сырую нефть с высоким содержанием парафина.

Без эффективной теплоизоляции труб нефть в эксплуатационной колонне труб будет значительно охлаждаться во время ее прохождения к установке на поверхности. Когда температура понижается ниже уровня, который является конкретным для определенного типа нефти, парафин начинает превращаться в твердое состояние и прилипать к внутренней стенке эксплуатационной колонны труб. В результате сопротивление потоку будет увеличиваться из-за уменьшения поперечного сечения труб, таким образом насосные штанги могут застревать и разрушаться. Для накачки холодной и, следовательно, высоковязкой нефти через секции трубопровода, расположенного вблизи устья скважины, требуется значительное количество энергии.

4. Для добычи нефти, которая уже является высоковязкой в формации, содержащей нефть в нисходящей скважине, где в формацию и по диаметру скважины подают горячий пар для нагрева вязкой нефти и, следовательно, для улучшения ее характеристик текучести. Потери тепла на пути движения к поверхности земли необходимо уменьшить, чтобы не вызвать какого-либо падения давления потока в эксплуатационной колонне труб.

Эксплуатационные колонны труб, покрытые стекловатой или керамической ватой и затем обмотанные фольгой или полосками тонкой листовой стали для защиты слоя изоляции от проникновения воды, часто применяют для использования на поверхности. Однако вода может проникать в изолирующий материал через небольшие щели или трещины, которые могут образовываться в окружающей крышке и уменьшать изолирующие свойства такой колонны. Поэтому этот известный способ нельзя применять для теплоизоляции эксплуатационных колонн труб, подвергаемых действию жидкости под высоким давлением в кольцеобразном пространстве между эксплуатационной и обсадной колонками в глубоких скважинах.

Труба, изготовленная из стекловолокна, имеет более низкую теплопроводимость, чем стальная труба, и ее обычно применяют для трубопроводов для эксплуатационных колонн труб для работы в коррозионной среде, а не для теплоизоляции, поскольку ее тепловые свойства являются обычно недостаточными. Температурные пределы и более низкая прочность также ограничивают применение труб, изготовленных из такого материала. Также стекловолокнистый материал является более дорогостоящим, чем стальная труба такого же диаметра, и его нельзя применять в нефтяных скважинах, оснащенных рециркуляционными насосными штангами. Кроме того затраты на товарно-материальные запасы будут увеличиваться, если трубы из стекловолокна необходимо хранить про запас помимо стандартных стальных труб, которые обычно применяют в нефтяной отрасли промышленности.

До сих пор теплоизолированные эксплуатационные трубы применяют для скважин с полным нагнетанием пара с целью достижения улучшенного термического КПД. Колонны труб, которые часто имеют длину свыше 1000 метров, выполняют из отдельных отрезков двухстенных труб, каждый из которых имеет обычно длину примерно 9 метров, которая соответствует двум соединениям труб согласно нормам AP1, их эксплуатируют и восстанавливают с применением приспособлений, используемых в нефтяной промышленности, тем же способом, как и одностенные колонны.

Наиболее типичный вариант такой колонны труб показан в Каталоге оборудования для нефтяной промышленности, том 1, стр. 988 Н, 35-издание, 1982-83 годы, опубликованном фирмой Галф Паблишинг, США. Далее будет описана известная эксплуатационная колонна труб со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 показывает в продольном разрезе эксплуатационную колонну, а фиг. 3 представляет в увеличенном масштабе подробный вид в продольном разрезе части колонны труб с фиг. 1, показывающий более четко соединение между двумя отрезками трубы.

Теплоизолированная труба, показанная на фиг. 1, представляет отдельный отрезок трубы, которая теплоизолирована и имеет соединения на ее противоположных концах, однако должно быть ясно, что на практике используется множество таких отрезков труб, применяемых для образования теплоизолированной эксплуатационной колонны труб. Фиг. 2 показывает детали конструкции резьбовых соединений, применяемых для образования секций труб изолированной эксплуатационной колонны труб, соединенных вместе.

Как показано на фиг. 1 и 2, внутренняя труба 1 имеет внутренний диаметр, увеличенный на ее противоположных концах, при этом внутренняя труба 1 расположена концентрично внутри наружной трубы, а противоположные концы внутренней трубы приварены к наружной трубе 2. Внутри кольцеобразного пространства 3, образованного между наружной стенкой внутренней трубы и внутренней стенкой наружной трубы, расположена изолирующая среда, например воздух. Наружная труба 2 несколько длиннее, чем изолированная двухстенная секция, таким образом резьбу для соединительного винта можно нарезать на противоположных концах наружной трубы. Для соединения одной секции изолированной трубы с двойными стенками со следующей секцией трубы с двойными стенками в осевом направлении применяют двухвтулочные соединительные муфты 4. Для исключения изменения внутреннего диаметра в каждой точке соединения в колонне труб, которое будет нежелательно увеличивать потери в условиях давления при ударной нагрузке в потоке жидкости, например нефти, в конце труб вставляют неизолированные секционные втулки 5 во время опускания эксплуатационной колонны труб в скважину.

Механически такие эксплуатационные колонны труб удовлетворяют всем требованиям к прочности колонн для глубоких скважин. Однако, даже в идеальном случае, когда жидкость из буровой скважины не проходит в кольцеобразное пространство 6 между втулкой 5 и втулочной муфтой 4, значительное количество тепловой энергии теряется через теплопроводящие мостики, образованные внутренними и наружными трубами, свариваемыми вместе, и также механическим соединением между втулкой 5 и втулочной муфтой 4. Однако вода или нефть обычно будет проходить в кольцеобразное пространство 6, снижая дополнительно эффективность изоляции. Любое механическое повреждение внутренней трубы 1, вызванное насосными штангами с возвратно-поступательным движением или коррозией, будет позволять жидкости проникать в кольцеобразное пространство 7 между внутренней и наружной трубами, тем самым приводя к образованию термического мостика, который не будет сразу видимым на поверхности, поскольку кольцеобразное пространство закрыто на конце каждой трубы внутренней трубой, приваренной к наружной трубе.

Другим недостатком изолированной эксплуатационной колонны этого типа является требование к сварке вместе внутренней и наружной труб. В области бурения скважин обычно исключают применение, где это возможно, инструментов или оборудования для сварки, которые устанавливают вблизи нисходящей скважины, поскольку такие сварные соединения являются исходными точками для возникновения утечек в результате коррозии. Таким образом в настоящей теплоизолированной эксплуатационной колонне, например, сварные соединения между внутренней и наружной трубами могут быть как раз исходной точкой для утечки в результате коррозии. Если коррозия начинается внутри кольцеобразного пространства 3 между двумя трубами, то ее никогда нельзя обнаружить ни визуально, ни неразрушающими методами контроля, обычно применяемыми в нефтяной и газовой промышленности.

Когда стальные трубы покидают производственную линию на заводе, они обычно имеют широкие допуски на длину. Таким образом для достижения соответствия между внутренней и наружной трубами двухстенной эксплуатационной колонны труб необходимо трубы резать до соответствующей длины, однако это увеличивает затраты материала. Основной причиной редкого применения двухстенных эксплуатационных колонн труб является их высокая стоимость, которая превышает в несколько раз стоимость простых труб, большие затраты времени на доставку специально изготовленных сварных соединений и, наконец, но не в меньшей степени, большие затраты на товарно-материальные запасы.

Другая двухстенная труба, предназначенная для теплоизоляции, раскрыта в Европейском патенте EP-A-0138603. В этом документе недостаток известного технического решения устраняется за счет образования канала между соединением двух секций трубы, таким образом кольцеобразные пространства в соответствующих секциях трубы сообщаются благодаря стенке и небольшому каналу, имеющему меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения кольцеобразного пространства снаружи соединения внутренней и наружной труб. Поскольку канал в каждой трубе может быть неточно центрирован с другим каналом, то площадь поперечного сечения продольно аксиальной части канала увеличивают с тем, чтобы обеспечить взаимное соединение двух отрезков трубы, когда будут соединять вместе две секции двухстенной трубы. На внутренней и внешней сторонах канала расположены соответствующие кольцевые уплотнения для достижения уплотнения между кольцеобразным пространством внутри изолированной колонны труб и внутренней стороной, где проходит поток жидкости, и вокруг изолированной колонны.

Кольцеобразное пространство можно заполнить любым требуемым изолирующим газом или жидкостью либо его можно вакуумировать с поверхности. Таким образом, взаимно соединенные кольцеобразные пространства можно использовать для проведения проверки на утечку в любом уплотнении или в стенках труб. Если кольцеобразное пространство сначала заполняют газом, то утечку определяют по повышению давления, которое будет повышаться до тех пор, пока давление в кольцеобразном пространстве не уравновесит давление жидкости внутри изолированной эксплуатационной колонны труб либо снаружи. Это техническое решение также имеет недостаток описанных двухстенных изолированных эксплуатационных колонн труб, что касается определения причины такой утечки, причем, если внутренняя или наружная труба будет иметь утечку, то вытекаемая жидкость будет проходить через кольцеобразное пространство всей колонны. В этом случае трудно определить место утечки, которая может быть не только в корпусе трубы, но также и в эластомерных уплотнениях, радиально расположенных внутри и снаружи канала.

Другая известная двухстенная труба для бурения скважины с обратной промывкой раскрыта в патенте Великобритании N 1204026. В этом патенте описано, что две концентричные трубы соединяют вместе посредством ребер, которые приварены в кольцеобразном пространстве между внутренней и наружной трубами. Внутреннюю трубу вставляют в каждый конец наружной трубы, которая снабжена винтовой резьбой для соединения вместе отдельных секций трубы. Когда эксплуатационную колонну труб опускают в скважину, перекрывающая втулка, имеющая уплотнения на ее противоположных концах, вставляется во внутреннюю трубу верхней и нижней секций эксплуатационной колонны для уплотнения вместе внутренних труб двух различных секций с двойными стенками. Таким образом втулка проходит в соединение следующей трубы, где оно уплотняется с внутренней трубой следующей секции. Необходимость соединения вместе внутренних труб посредством втулок увеличивает их стоимость, затраты на хранение и уход за колонной. Однако труба с двойными стенками, изготовленная в соответствии с этим патентом, имеет также и упомянутые недостатки в том, что внутреннюю и наружную трубы соединяют механически, в результате между внутренней и наружной трубами образуется термическое соединение.

Теплоизолированный трубопровод для транспортировки жидкостей и газа на поверхность земли раскрыт в публикации международной заявки WO 91/19129. В этой заявке раскрыты две концентричные трубы из стали, разделенные кольцеобразным пространством, которое заполнено изолирующим материалом из микростекловолокна или микроминеральных волокон, имеющих достаточную прочность на сжатие для поддержания трубы достаточно отделенной от наружной трубы. Изолирующий материал необходим в кольцеобразном пространстве для опоры массы колонны труб, поскольку колонны труб, расположенные примерно горизонтально и без изолирующего материала, теряют свои изолирующие свойства. Таким образом, чтобы достичь соответствующих изолирующих свойств, применяют твердые изоляторы, которые являются очень пористыми. Эти опорные изоляторы увеличивают стоимость колонны труб, однако более значительным их недостатком является то, что жидкости, которые могут проходить в кольцеобразное пространство из-за утечки в одной из внутренних или наружных колонн труб, будут проникать в поры изолирующего материала изоляторов, таким образом необходимо будет заменять материал.

В этой публикации не описано, что такую колонну из обычно независимых концентричных трубчатых элементов, предназначенных для более или менее горизонтальных трубопроводов, опускают в обычно вертикальную буровую скважину, заполненную жидкостью, и где кольцеобразное пространство между внутренней и наружной трубами должно герметизироваться для защиты от проникновения жидкостей, содержащихся в скважине.

Оборудование, применяемое в нефтяной промышленности, не предназначено для одновременного опускания или подъема концентричных колонн труб различного диаметра. Трубные соединения в соответствии с принятым во всем мире стандартом AP1, которые используют в нефтяной промышленности, имеют различную длину, причем длина соединений колеблется значительно. Только с нестандартными, более дорогостоящими трубами, обработанными механически до одинаковой длины, можно опускать одновременно концентричные колонны труб во время операции опускания труб в скважину с медленной скоростью.

Например, в авторском свидетельстве СССР N 950896 описана теплоизолированная колонна труб, которую монтируют в заводских условиях. В нем раскрыто, что внутренняя труба имеет чередующиеся слои теплоизолирующего материала, образованного из фольги и базальтового полотна, навитых вокруг периферии внутренней трубы. Затем на сочетание внутренней трубы и изоляции устанавливают наружную трубу. Внутренняя и наружная трубы по длине идентичны друг другу, а смонтированные секции из внутренней и наружной труб транспортируют к устью скважины, где секции соединяют друг с другом для формирования двухстенной изолированной колонны. При этом двухстенные изолирующие секции, где каждая секция представляет собой трубы одной длины, соединяют друг с другом, когда происходит подача секций в скважину. Поскольку изолирующий материал прикреплен к внутренней трубе соответствующих секций, этот изолирующий материал не является непрерывным. Если изолирующий материал становится влажным, то он теряет свои изолирующие свойства.

В настоящем изобретении сделана попытка создать способ изоляции двухстенной изолированной колонны, при котором устраняются трудности, связанные с необходимостью сборки секций в заводских условиях, причем так, что более необязательно, чтобы внутренние и наружные трубы были идентичны по длине. Кроме того, цель изобретения заключается в создании изолированной колонны труб, в которой изолирующий материал не превышается, при этом если он увлажняется, то не теряет своих изолирующих свойств.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения создана двухстенная изолированная колонна труб, предназначенная для подвешивания на опорном средстве, причем колонна состоит из внутренней и наружной труб с теплоизолирующим зазором между внутренней и наружной трубами, в которой, согласно изобретению, колонна содержит множество секций наружных труб, механически соединенных вместе для образования наружной колонны труб, и множества секций внутренних труб для образования колонны внутренних труб, причем они также соединены вместе механически, внутренняя и наружная колонны труб расположены на расстоянии друг от друга по существу по всей их длине. В общем, внутренняя и наружная колонны труб изолированы друг от друга без какого-либо механического соединения между ними на одном или обоих концах.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения на нижнем конце наружной колонны труб расположено съемное уплотняющее средство для исключения утечки жидкости в наружную колонну во время ее установки.

Преимущественно изолирующий зазор заполняют газом или жидкой средой либо его по существу вакуумируют.

Преимущественно внутреннюю и наружную колонны трубы соединяют вместе на верхнем или обоих концах, то есть только на верхнем и нижнем концах изолированной колонны труб.

Преимущественно наружные и внутренние трубы приспособлены выдерживать давление, превышающее гидростатический напор жидкости внутри изолированной эксплуатационной колонны труб или снаружи.

В одном из вариантов выполнения изобретения внутреннюю колонну труб предварительно подвергают растягивающему напряжению, а наружную колонну предварительно сжимают, чтобы допустимые уровни напряжений, вызываемые колебаниями температур во внутренней и наружной колоннах труб, не превышались. Предпочтительно внутреннюю и/или наружную колонну труб оснащают средством компенсации температуры по осевой длине.

В другом варианте выполнения изобретения предусмотрено изолирующее распорное средство в изолирующем зазоре для поддержания концентричности между внутренней и наружной колоннами труб для исключения контакта внутренней колонны с наружной колонной.

В соответствии с другим аспектом изобретения создан способ установки двухстенной изолированной колонны труб, включающий в себя следующие стадии:
выполнение первой секции трубы с уплотняющими средствами на ее нижнем конце во время применения для исключения утечки жидкости в наружную трубу,
механическое соединение второй секции наружной трубы с концом первого отрезка наружной трубы, удаленным от уплотняющего средства, для образования наружной колонны труб,
подвешивание наружной колонны труб на опорное средство, установка первого и второго соединенных отрезков внутренней трубы для образования внутренней колонны труб внутри наружной колонны, причем первый и второй отрезки внутренней трубы соединяют механически, внутренняя колонна труб расположена на расстоянии от наружной колонны труб для образования между ними теплоизолирующего зазора, причем внутренняя и наружная колонна труб отделены друг от друга по существу по всей их длине.

Предпочтительно соединяют вместе более чем две секции наружной и внутренней труб.

В конкретном варианте исполнения изобретения уплотняющее средство удаляют путем повышения давления жидкости внутри секций внутренней трубы или механическими средствами.

Преимущественно для выравнивания гидростатического давления на внешней стороне уплотняющего средства в буровой скважине внутреннюю колонну труб заполняют жидкостью и затем уплотняющее средство деактивируют путем накачки.

Преимущественно внутренние и наружные трубы соединяют механически на верхнем или на обоих концах колонны, т.е. только на верхнем и нижнем концах изолированной колонны труб.

Предпочтительно, чтобы соединение между соответствующими наружными и между соответствующими внутренними трубами представляло собой непроницаемое соединение, образованное посредством резьбы или сварки.

Предпочтительно нижний переходник на нижнем конце колонны труб соединяют на наружной колонне труб, а горизонтальную распорку соединяют на внутренней колонне труб для достижения уплотнения с наружной колонной.

Предпочтительно использовать уплотнение зазора наверху колонны труб для создания вакуума в этом зазоре.

В конкретном варианте соединения, где двухстенная изолированная колонна труб расположена в обсадной колонне, площадь поперечного сечения между двухстенной изолированной колонной и обсадной колонной труб больше площади поперечного сечения внутренней трубы.

Предпочтительно во внутренней и/или наружной колоннах труб расположены средства компенсации температуры вдоль осевой длины.

Преимуществом настоящего изобретения является то, что температура в зазоре на нижнем конце колонны труб равна примерно температуре на нижнем конце внутренней колонны труб при ее использовании.

Согласно настоящему изобретению применяют изолированную колонну труб, имеющую минимальные потери тепла, причем она имеет трубные соединения, обычные для нефтяной промышленности, с позитивно уплотняющими соединениями без включения третьего, обычно трубчатого слоя изоляции из твердого материала в зазоре между внутренней и наружной трубами, как это требуется в публикации международной заявки WO 91/19129. Если жидкость проникает в изолирующий зазор между внутренними и наружными трубами, то легко можно определить, где происходит утечка и можно заменить деталь, дающую утечку. Сварка колонны труб не требуется, однако сварку можно применять, когда это необходимо. Когда трубные соединения вынимают из скважины, то их легко можно очистить и проверить, чтобы снова использовать в той же скважине или для любой другой цели, требующей колонну труб, изготовленную из соединений стальных труб, применяемых с позитивно уплотняющими соединениями.

Теперь изобретение будет описано на примере со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фиг. 1 представляет вид в продольном осевом сечении изолированной трубы с двойными стенками, известной в технике,
фиг. 2 показывает деталь соединения, применяемого в известном техническом решении, представленном на фиг. 1,
фиг. 3 показывает в продольном осевом сечении первый вариант выполнения двухстенной изолированной трубы в соответствии с настоящим изобретением,
фиг. 4 показывает в продольном осевом сечении второй вариант выполнения двухстенной изолированной колонны труб в соответствии с настоящим изобретением,
фиг. 5(a) представляет вид в частичном продольном сечении колонны труб в соответствии с настоящим изобретением, в которой внутренняя труба расположена эксцентрично относительно наружной стенки,
фиг. 5(b) - вид в поперечном сечении по линии B-B на фиг. 5(a),
фиг. 6(a) представляет вид в продольном сечении части двухстенной изолированной трубы в соответствии с настоящим изобретением, сцентрированной посредством центрирующих элементов с низкой теплопроводимостью,
фиг. 6(b) - вид в сечении по линии B-B на фиг. 6(a),
фиг. 7(a) - показывает часть двухстенной изолированной колонны труб в соответствии с настоящим изобретением, в которой внутренняя труба снабжена элементами для термического расширения,
фиг. 7(b) представляет вид в сечении по линии B-B на фиг. 7(a),
фиг. 8 показывает изолированную двухстенную колонну труб в соответствии с настоящим изобретением, расположенную в замкнутой геотермальной скважине для извлечения тепла,
фиг. 9 показывает двухстенную изолированную колонну труб в соответствии с настоящим изобретением, установленную в нефтяной или в термальной водяной скважине,
фиг. 10 показывает кондуктор для опоры внутренней и наружной колонны труб и для уплотнения колонн и средство для подсоединения вакуумного насоса для улучшения теплоизоляции,
фиг. 11 показывает нижнее уплотнение между внутренней и наружной колоннами труб.

фиг. 3 представляет вид в продольном осевом сечении изолированной двухстенной колонны труб, в которой расположена внутренняя колонна 21 труб, образованная из множества секций внутренней трубы, соединенных друг с другом в осевом направлении, и наружная колонна 22 труб, образованная из отдельных секций наружной трубы, соединенных аксиально друг с другом, причем внутренняя колонна 21 труб расположена предпочтительно концентрично внутри наружной колонны 22. Отдельные трубы внутренней колонны 21 соединены вместе посредством резьбовых соединений 23, а отдельные трубы наружной колонны 22 соединены вместе посредством резьбовых соединений 24, причем оба эти резьбовые соединения 23 и 24 обычно являются соединениями, непроницаемыми для газа и жидкости.

На верхнем конце двухстенной изолированной колонны труб прикреплены внутренняя и наружная колонны 21, 22 для исключения относительного аксиального перемещения друг к другу посредством элемента 25, запирающего верхний конец двух колонн вместе. Также на верхнем конце колонны расположено периферическое уплотнение 26, которое уплотняет внутреннюю и наружную колонны 21, 22 вместе на самом верхнем конце колонны. Элемент 25 для исключения осевого перемещения и уплотнение 26 можно объединить в один элемент конструкций. На нижнем конце этой колонны труб также уплотнены вместе внутренняя и наружная колонна 21, 22 труб посредством периферического уплотнения 27 для закрытия и герметичного уплотнения зазора 30 между внутренней и наружной колоннами 21, 22 труб. Зазор 30, которым обычно является кольцеобразная полость, поскольку эксплуатационная колонна труб обычно имеет круглое сечение, может быть заполнен любой требуемой изолирующей жидкостью или газом через клапан 29 на верхнем конце наружной колонны 22. Либо кольцеобразную полость можно по существу вакуумировать.

На нижнем конце наружной колонны 22 расположена временная уплотняющая пробка 31 для закрытия нижнего ее конца, причем она уплотнена с нижней наружной трубой посредством периферического уплотнения 28. Применение временной уплотняющей пробки 31 будет описано дальше.

В другом варианте исполнения, показанном на фиг. 4, который подобен варианту выполнения изобретения на фиг. 3, за исключением того, что для исключения чрезмерного относительного перемещения в нижних уплотнениях 27, 28, вызванного чистыми колебаниями температуры или трением между внутренней колонной 21 труб и насосной штангой, обе независимые внутренняя и наружная колонны 21, 22 закрепляются вместе посредством запирающего элемента 32, расположенного между уплотнениями 27 и 28.

Таким образом, согласно настоящему изобретению внутренняя и наружная колонны 21, 22 труб являются расположенными на расстоянии друг относительно друга без какого-либо механического соединения между ними по существу по всей их длине за исключением на их одном или обоих концах.

Поскольку скважины, в которых расположены эксплуатационные колонны, редко являются абсолютно вертикальными или прямыми, то продольная ось внутренней колонны труб может быть неконцентричной с продольной осью наружной колонны 22 труб. В зависимости от общего наклона, а также от изменений в азимуте и наклоне, касание может быть, как показано на фиг. 5(a) и фиг. 5(b). Однако эксцентричность ограничена минимальным натягом, вызванным большим наружным диаметром резьбового муфтового соединения 23 внутренней колонны 21 труб в сравнении с массой трубы. Это может привести к линейному контакту между внутренней и наружной колоннами труб в некоторых соединениях, который может вызвать незначительные потери тепла. Однако такие потери тепла являются менее значительными чем те, которые имеют место в известных технических решениях.

Фиг. 6(a) и 6(b) показывают, как можно исключить эти незначительные потери тепла при помощи центрирующего устройства 34, изготовленного из материала, имеющего низкую теплопроводимость. Такие центрирующие устройства размещают по меньшей мере в заданных местах вдоль продольной оси, причем их прикрепляют к наружной поверхности колонны труб, чтобы исключить любой контакт между металлическими поверхностями и уменьшить контакт между внутренней и наружной колоннами труб за исключением концов теплоизолированной колонны труб с двойными стенками.

Если обе эксплуатационные трубы будут соединены вместе на их противоположных концах, как показано на фиг. 4, то колебание температур может привести к нежелательным высоким напряжениям в осевом направлении в одной или другой колонне труб.

Фиг. 7(a) и 7(b) показывают вариант исполнения изобретения, в котором компенсатор 35 температуры по осевой длине расположен в трубе внутренней колонны 21 труб, хотя компенсатор можно также установить в наружной колонне 22 или в обеих колоннах 21, 22.

Как показано на фиг. 8, двухстенная колонна 46 труб в соответствии с настоящим изобретением установлена внутри обсадной колонны 47 зацементированной буровой скважины. Обычно буровую скважину оснащают первой обсадной колонной 48 труб, радиально внутренней второй обсадной колонной 49 и еще третьей радиально внутренней обсадной колонной 50. Как внутренние, так и наружные колонны труб теплоизолированной двухстенной колонны, поддерживаются устройством 25 для исключения осевого перемещения, включая кондуктор, таким образом, внутренняя и наружная колонны труб удерживаются от относительного перемещения в осевом направлении. Вблизи устройства 25 для исключения перемещения расположено уплотнение 26, закрывающее кольцеобразное пространство между обеими колоннами труб. На нижнем конце теплоизолированной 46 трубы расположены уплотнения 27, 28 (не показаны на фиг. 6) и запирающий элемент 32 (не показан отдельно на фиг. 8), которые могут быть предусмотрены.

В этом варианте исполнения изобретения может быть подсоединен вакуумный насос к закрытому кольцеобразному зазору через клапан 29 между двумя колоннами труб для создания вакуума, действующего в качестве изолирующей среды внутри теплоизолированной двухстенной эксплуатационной колонны 46 труб. Когда энергию добывают из геотермального источника в окружающих скважину формациях, то накачивают холодную жидкость, предпочтительно воду, через клапан 51 в пространство, образованное между колонной 47 обсадных труб и изолированной двухстенной колонной 46 труб. С увеличением глубины температура в пластах формаций повышается, таким образом циркулирующая среда становится теплее по мере ее приближения к нижнему концу колонны 46 труб. Затем циркулирующая жидкость течет назад к поверхности земли по трубам верхней колонны 21 и ее удаляют через клапан 52. Предпочтительно площадь поперечного сечения внутренней колонны труб изолированной двухстенной колонны 46 труб значительно меньше, чем площадь поперечного сечения потока между изолированной двухстенной колонной 46 и обсадной колонной 47 труб, таким образом, период, во время которого циркулирующая жидкость может терять свою тепловую энергию, когда она возвращается к поверхности земли, меньше, чем время, доступное для нагрева жидкости во время ее движения вниз через обсадную колонну 47 труб.

Фиг. 9 показывает другой вариант выполнения настоящего изобретения, в котором применяют двухстенную изолированную колонну труб для нефтяной скважины. В отличие от конструкции, показанной на фиг. 8, циркулирующую жидкостью, которая является холодной, не накачивают в пространство между изолированной колонной 46 труб и обсадной колонной 47 труб, таким образом, разность температур между жидкостью, проходящей вверх через изолированную колонну 46, и окружающей средой менее значительная. Однако скорость потока нефти из нефтяных скважин часто очень низкая, таким образом, общие потери тепла все еще остаются значительными, если насосно-компрессорная труба не будет изолирована. Нефть, особенно с высоким содержанием битума или парафина, очень чувствительна к температурам. Когда температура нефти или внутренней стенки насосно-компрессорной трубы понижается ниже минимальной температуры, которая является конкретной для определенного типа нефти, битум или парафин частично затвердевает, блокируя путь потоку внутри трубы, а это может привести к повреждению насосной трубы. Таким образом, целью теплоизолированной двухстенной колонны труб в соответствии с настоящим изобретением является поддержание температуры нефти на всем пути ее движения к поверхности выше критической температуры затвердевания. В варианте исполнения, показанной на фиг. 9, обсадная колонна 47 труб проходит через нефтеносную формацию или через водоносный пласт 60.

Фиг. 10 показывает в увеличенном масштабе кондуктор, применяемый в конструкциях, показанных на фиг. 8 и 9.

Один вариант исполнения нижнего уплотняющего средства для кольцеобразного зазора между внутренней и наружной колоннами труб и для закрытия наружной колонны труб показан на фиг. 11. Полированный держатель 70 соединен посредством резьбы с нижним концом внутренней колонны 21 труб для уплотнения с уплотняющими элементами 27(a) и 27(b) уплотнения 27, как показано на фиг. 3 и 4. Нижний переходник 71 соединен с нижним концом наружной колонны 22 труб, а уплотнения 27(a) и 27(b) образуют между нижним переходником 71 и держателем 70 уплотнение, непроницаемое для жидкости и газа. Нижний переходник 71 состоит из двух частей: элемент 71(a), с которым взаимодействуют уплотнения 27(a) и 27(b), и нижний элемент 71(b), с которым взаимодействуют уплотнения 28(a) и 28(b), показанные на фиг. 3 и 4. В нижнюю часть 71(b) вставляют пробку 31. Пробку 31 вставляют и уплотняют с нижней частью 71(b) переходника для исключения проникновения жидкости в двухстенную колонну 46 труб, когда ее опускают в скважину. Как уже упоминалось, если это потребуется для конкретного применения, то внутреннюю и наружную колонну труб можно аксиально закрепить друг с другом вблизи уплотнения 28. Такое аксиальное крепление колонн труб может быть достигнуто с устройством, известным в нефтяной промышленности как "затвор с собачкой".

Ниже описан способ установки изолированной двухстенной колонны труб.

Начиная с нижнего переходника 71, предпочтительно имеющего постоянные уплотнения 27(a) и 27(b), 28(a) и 28(b) и временную пробку 31, в скважину опускают наружную колонну 22 труб. Временная пробка 31 препятствует жидкостям, содержащимся в скважине, проникать в трубы. Нижний переходник подсоединяют посредством непроницаемого уплотнения к первой наружной трубе наружной колонны 22, причем также подсоединяют множество других труб, когда это необходимо, до тех пор, пока нижний переходник не достигнет его конечного положения, после этого наружную колонну 22 труб подвешивают в плашках на кондуктора (фиг. 8 и 9), являющийся опорным средством.

Далее, начиная с полированного держателя 70, опускают внутреннюю колонну 21 труб в пустую наружную колонну 22 до тех пор, пока полированный держатель 70 не достигнет нижнего переходника и уплотнится уплотнениями 27(a), 27(b). Для выравнивая гидростатического давления на нижней части временной пробки 31, создаваемого жидкостью в буровой скважине, внутреннюю колонну 21 труб заполняют жидкостью, после этого временную пробку 31 деактивируют, например, путем открытой прокачки. До и после заполнения внутренней колонны 21 труб жидкостью и деактивации временной пробки 31 внутренняя колонна 21 труб остается подвешенной на кондукторе и изолированной от наружной колонны 22 наверху скважины. Чтобы проверить, уплотнен ли герметично зазор между внутренней и наружной колоннами 21, 22 труб, зазор можно сначала не вакуумировать, а закрыть, пока будут измерять давление манометром в зазоре между внутренней и наружной колоннами 21, 22 труб. Если давление будет продолжать повышаться после небольшого начального повышения давления, вызванного начальным повышением температуры воздуха между колоннами 21, 22 труб, то это будет указывать на утечку в одном или более соединенных через одно или более отверстий в трубах или через уплотнение в нижней части колонны. После герметизации системы подсоединяют вакуумный насос к клапану 29 между обеими колоннами 21, 22 труб и пространство вакуумируют. После этого скважину можно использовать для добычи воды или нефти либо для получения тепловой энергии из замкнутой геотермальной системы.

В некоторых случаях возможно потребуется подвергнуть двухстенную изолированную колонну труб предварительному натяжению путем натяжения внутренней колонны на наружную колонну для растяжения внутренней трубы и сжатия наружной трубы. Такое предварительное натяжение потребуется в суровых термических условиях.

Изобретение относится к бурению геотермальных или нефтяных скважин и касается способа установки и конструкции двухстенной изолированной эксплуатационной колонны труб. Колонна предназначена для подвешивания на опорном средстве, имеет внутреннюю колонну труб, образованную из множества внутренних труб, и радиально наружную колонну труб, состоящую из множества наружных труб, причем колонны являются независимыми и расположенными на расстоянии друг от друга, за исключением аксиального соединения колонн относительно друг друга на верхнем конце эксплуатационной колонны труб, хотя крепление колонн в осевом направлении возможно также и на нижнем конце этой колонны, если это потребуется. Кольцевой изолирующий зазор между внутренней и внешней колоннами труб герметично уплотнен на обоих противоположных концах, причем его можно вакуумировать. Внутреннюю и наружную колонны труб можно опустить в скважину, применяя известную технологию бурения нефтяных скважин, причем механическое соединение между внутренней и наружной колоннами труб отсутствует, особенно в местах соединения соответствующих внутренних и наружных отрезков трубы. Для того, чтобы жидкость не попала внутрь наружной колонны до опускания внутренней колонны труб в скважину и уплотнения ее с наружной колонной на ее нижнем конце, вставляют пробку, которая закрывает сначала нижний конец наружной колонны труб, а затем ее удаляют прежде, чем жидкость сможет пройти через теплоизолированную двухстенную колонну труб. Изобретение повышает надежность использования и обеспечивает простоту сборки двухстенной колонны. 2 с. и 17 з.п.ф-лы, 11 ил.

1. Способ установки двухстенной изолированной колонны труб, при котором формируют двухстенную изолированную колонну труб из внутренней трубы и наружной трубы, причем внутреннюю колонну труб размещают на расстоянии от наружной колонны для образования теплоизолирующего зазора между внутренней и наружной колоннами труб, при этом внутренняя и наружная колонны отделены друг от друга по существу по всей длине, отличающийся тем, что выполняют первую секцию наружной трубы с уплотняющим средством на нижнем конце при ее использовании для исключения проникновения жидкости в наружную трубу, механически соединяют вторую секцию наружной трубы с концом первой секции наружной трубы, удаленной от уплотняющего средства для образования наружной колонны труб, подвешивают наружную колонну труб на опорное средство, устанавливают соединяемую первую и вторую секции внутренней трубы для образования внутренней колонны труб внутри наружной колонны труб, подвешивают внутреннюю колонну труб на опорное средство, первую и вторую секции внутренней трубы соединяют механически. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соединяют вместе более чем две секции внутренней и наружной труб соответственно. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что уплотняющее средство удаляют путем повышения давления жидкости в секциях внутренней трубы или механическими средствами. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что для выравнивания гидростатического давления снаружи уплотняющего средства в буровой скважине внутреннюю колонну труб заполняют жидкостью и затем деактивируют уплотняющее средство. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что внутреннюю и наружную трубы механически соединяют вместе на верхнем конце двухстенной изолированной колонны труб или на обоих концах двухстенной изолированной колонны труб. 6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что соединение между соответствующими наружными и внутренними трубами является непроницаемым для жидкости. 7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что нижний переходник на нижнем конце двухстенной изолированной эксплуатационной колонны труб подсоединяют на наружной колонне труб, а держатель подсоединяют на внутренней колонне труб для образования уплотнения с наружной колонной. 8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что образуют уплотнение для зазора наверху колонны для создания вакуума в зазоре. 9. Способ по любому из пп. 1 - 8, отличающийся тем, что двухстенную изолированную колонну труб размещают в обсадной колонне труб, причем площадь поперечного сечения между двухстенной изолированной колонной труб и обсадной колонной труб больше площади поперечного сечения полости во внутренней колонне труб. 10. Способ по любому из пп.1 - 9, отличающийся тем, что температура в зазоре на нижнем конце колонны труб примерно равна температуре на нижнем конце внутренней колонны труб при ее использовании. 11. Способ по любому из пп.1 - 10, отличающийся тем, что средство для компенсации температуры по осевой длине устанавливают во внутренней и/или наружной колонне труб. 12. Двухстенная изолированная эксплуатационная колонна труб, предназначенная для подвешивания на опорном средстве, содержащая внутренние и наружные трубы с термоизолирующим средством между этими трубами, колонна труб содержит множество секций наружных труб, механически соединенных вместе средствами для передачи силы для формирования наружной колонны труб, и множество секций внутренних труб, механически соединенных вместе дополнительными средствами для передачи силы для формирования внутренней колонны труб, причем внутренняя и наружная колонны труб являются раздельными и отделены друг от друга по существу по всей их длине, отличающаяся тем, что изолирующее средство является изолирующим зазором, который непрерывно простирается от верхнего конца колонны труб до нижнего конца колонны труб, и уплотнительные средства расположены на нижнем конце колонны труб, образуя уплотнение между внутренней и наружной колоннами труб, таким образом закрывая изолирующий зазор на нижнем конце колонны труб. 13. Двухстенная изолированная колонна труб по п.12, отличающаяся тем, что на нижнем конце наружной колонны труб расположено съемное уплотнение для исключения проникновения жидкости в наружную колонну труб. 14. Двухстенная изолированная колонна труб по п.12 или 13, отличающаяся тем, что изолирующий зазор заполнен газообразной или жидкой средой либо вакуумирован. 15. Двухстенная изолированная колонна труб по любому из пп.12 - 14, отличающаяся тем, что внутренняя и наружная колонны труб соединены вместе на обоих концах этой колонны труб, т.е. только на верхнем и нижнем ее концах. 16. Двухстенная изолированная колонна труб по любому из пп.12 - 15, отличающаяся тем, что внутренние и наружные трубы приспособлены для выдерживания давления, превышающего гидростатический напор жидкости внутри или снаружи изолированной колонны труб. 17. Двухстенная изолированная колонна труб по любому из пп.12 - 16, отличающаяся тем, что внутренняя колонна предварительно растянута, а наружная колонна предварительно сжата для исключения превышения допустимых уровней напряжений во внутренней и наружных трубах соответственно, вызванных колебаниями внутренних и наружных температур. 18. Двухстенная изолированная колонна труб по п.17, отличающаяся тем, что внутренняя и/или наружная колонны труб оснащены средством компенсации температуры по осевой длине. 19. Двухстенная изолированная колонна труб по любому из пп.12 - 18, отличающаяся тем, что в изолирующем зазоре расположено изолирующее распорное средство для поддержания концентричности между внутренней и наружной колоннами труб для исключения контакта между внутренней и наружной колоннами труб.