Описание
Настоящее изобретение относится в основном к бурению нефтяных и газовых скважин в море, а более конкретно к способу и системе бурения нефтяных и газовых скважин в море, при которых в столб бурового раствора закачивают плавучие по существу несжимаемые объекты в одном или нескольких местах для закачивания для уменьшения плотности столба бурового раствора над местом или местами для закачивания, чтобы таким образом регулировать или изменять градиент давления бурового раствора в выбранных частях столба бурового раствора.
При обычном бурении в море от дна моря к буровому судну устанавливают водоотделяющую колонну. Как хорошо известно специалистам в данной области, при бурении обеспечивают циркуляцию бурового раствора вниз по бурильной колонне и вверх по кольцевому пространству между бурильной колонной и стволом буровой скважины, обсадочной колонной в буровой скважине и водоотделяющей колонной назад к буровому судну.
Буровой раствор выполняет несколько функций, включая управление скважиной. Плотность бурового раствора выбирают так, чтобы поддерживать давление в кольцевом затрубном пространстве скважины выше значения порового давления пласта, чтобы в скважине не происходило "резкого повышения давления" ("выброса"), но ниже давления гидравлического разрыва пласта, чтобы раствор не вызывал гидравлического разрыва пласта и потери циркуляции. На большой глубине моря значения градиентов порового давления и давления гидравлического разрыва пласта обычно близки друг к другу. Для исключения возможности потери циркуляции или резкого повышения давления необходимо поддерживать давление бурового раствора в диапазоне между градиентом порового давления и градиентом давления гидравлического разрыва пласта.
При обычном бурении с использованием водоотделяющей колонны градиент гидростатического давления бурового раствора представляет собой прямую линию, идущую от поверхности. Эта линия градиента гидростатического давления пересекает градиент порового давления и градиент давления гидравлического разрыва пласта в пределах короткого вертикального участка, что приводит к необходимости установки обсадных колонн. Установка обсадных колонн является дорогостоящей операцией, требующей значительных затрат времени и использования оборудования.
В последнее время были предложены системы для отсоединения гидростатического напора бурового раствора в водоотделяющей колонне от эффективного и полезного гидростатического напора в буровой скважине. Такие системы были названы "системами бурения с двойным градиентом". В системах с двойным градиентом гидростатическое давление в кольцевом зазоре у профиля дна равно давлению, соответствующему глубине моря, а давление в скважине равно гидростатическому давлению бурового раствора. Сочетание градиента давления, создаваемого столбом морской воды у профиля дна, и градиента давления бурового раствора в стволе скважины приводит к необходимости обеспечения большей глубины каждой обсадной колонны и снижения общего количества обсадных колонн, требующихся для достижения конкретной глубины буровой скважины.
Было предложено три способа выполнения системы бурения с двойным градиентом. Один предложенный способ заключается в непрерывном сбросе отработанного бурового раствора на дно моря. Этот предложенный способ не отвечает требованиям сохранения окружающей среды и экономически нежизнеспособен.
Второй предложенный способ заключается в использовании газлифта, который включает закачивание газа, например азота, в водоотделяющую колонну. Использование газлифта предполагает преимущества, заключающиеся в том, что не требуется большого объема подводного механического оборудования. Однако имеются некоторые ограничения, связанные с применением газлифта. Так как газ является сжимаемой средой, то имеются ограничения по глубине, при которой он может быть использован, и может потребоваться большой объем оборудования, которое должно работать на поверхности. Кроме того, из-за того, что газ расширяется, когда буровой раствор достигает поверхности, скорость потока на поверхности может быть чрезмерно большой.
Третий предложенный способ выполнения системы бурения с двойным градиентом заключается в подаче бурового раствора из подводного устья скважины назад на поверхность. Было предложено несколько нагнетающих систем, включающих насосы струйного типа, поршневые и центробежные насосы. Использование систем насосов, расположенных на дне моря, обеспечивает гибкость, требующуюся для управления условиями при бурении, но они обладают недостатками, заключающимися в высокой стоимости, а также связанными с проблемами надежности и трудности поддержания в работоспособном состоянии сложных насосных систем на дне моря.
Согласно изобретению создана система для бурения скважины, имеющей забой под морским дном, содержащая систему бурового раствора для создания столба бурового раствора над забоем скважины, при котрой часть столба бурового раствора ограничена водоотделяющей колонной, соединяющей подводное морское устье скважины и поверхностное местоположение скважины, систему для закачивания по существу несжимаемых объектов в столб в месте для закачивания, расположенном в водоотделяющей колонне вблизи подводного морского устья скважины, причем несжимаемые объекты имеют плотность, меньшую чем плотность бурового раствора.
Система для закачивания по существу несжимаемых объектов содержит трубопровод, подсоединенный между поверхностным местоположением и местом для закачивания.
Система для закачивания по существу несжимаемых объектов содержит средство для закачивания суспензии, содержащей текучую среду и по существу несжимаемые объекты, в указанный трубопровод.
Текучая среда суспензии содержит буровой раствор.
Текучая среда суспензии содержит существенно облегченный буровой раствор.
Текучая среда суспензии содержит воду.
Средство для закачивания по существу несжимаемых объектов содержит средство для отделения по существу несжимаемых объектов от текучей среды суспензии перед закачиванием по существу несжимаемых объектов в столб бурового раствора, средство для закачивания отделенных по существу несжимаемых объектов в столб бурового раствора.
Система содержит средство для возвращения отделенной текучей среды к поверхностному местоположению.
Средство для возвращения отделенной текучей среды к поверхностному местоположению содержит обратную линию.
Средство для возвращения отделенной текучей среды к поверхностному местоположению включает средство для подъема отделенной текучей среды по обратной линии.
Средство для закачивания отделенных по существу несжимаемых объектов в столб бурового раствора включает насос.
Средство для отделения по существу несжимаемых объектов включает сито с размером ячеек, меньшим чем размеры по существу несжимаемых объектов.
Средство для отделения по существу несжимаемых объектов содержит емкость, в которой поддерживается давление газа для образования водогазовой поверхности раздела, впуск для суспензии, расположенный в емкости ниже водогазовой поверхности раздела и соединенный с трубопроводом, выпуск для воды, расположенный в емкости ниже водогазовой поверхности раздела, выпуск для указанных объектов, расположенный в емкости выше водогазовой поверхности раздела и соединенный с местом для закачивания.
Система содержит средство для отделения несжимаемых объектов от бурового раствора, возвращаемого из столба бурового раствора.
Средство для отделения несжимаемых объектов от бурового раствора содержит сито для отделения несжимаемых объектов и бурового шлама от бурового раствора.
Сито имеет ячейки, размер которых меньше размера несжимаемых объектов.
Средство для отделения несжимаемых объектов от бурового шлама включает емкость, по меньшей мере частично заполненную водой, предназначенную для приема несжимаемых объектов и бурового шлама, поступающих от сита.
Сито включает вибросито.
По существу несжимаемые объекты закачаны в водоотделяющую колонну с расходом, достаточным для снижения плотности бурового раствора в столбе до предварительно заданной плотности.
Плотность р бурового раствора в столбе определяют согласно следующему уравнению:
где pf - плотность бурового раствора, не содержащего по существу несжимаемые объекты;
ps - плотность по существу несжимаемых объектов;
ν - концентрация по существу несжимаемых объектов.
По существу несжимаемые объекты закачаны в столб бурового раствора в суспензии, содержащей смесь по существу несжимаемых объектов и бурового раствора, причем плотность р бурового раствора в водоотделяющей колонне определяют согласно следующему уравнению:
где рm - плотность бурового раствора, не содержащего по существу несжимаемые объекты;
ps - плотность суспензии;
Qm - расход бурового раствора;
Qs - расход суспензии.
Предварительно заданная плотность по существу равна плотности морской воды.
По существу несжимаемые объекты содержат по существу сферические объекты.
По существу несжимаемые объекты имеют наружный диаметр, составляющий около 100 мкм.
По существу несжимаемые объекты содержат пустотелые стеклянные шарики.
Пустотелые стеклянные шарики имеют наружный диаметр, больший приблизительно 100 мкм.
По существу несжимаемые объекты содержат пустотелые армированные пластиковые объекты.
Согласно изобретению создан способ бурения скважины, имеющей забой скважины под морским дном, включающий создание столба бурового раствора над забоем скважины, ограничение части столба бурового раствора водоотделяющей колонной, соединяющей подводное морское устье скважины и поверхностное местоположение скважины, закачивание по существу несжимаемых объектов в столб бурового раствора в месте для закачивания, расположенном в водоотделяющей колонне вблизи подводного морского устья скважины, причем несжимаемые объекты имеют плотность, меньшую чем плотность бурового раствора.
Закачивание по существу несжимаемых объектов включает подачу суспензии, содержащей по существу несжимаемые объекты и текучую среду суспензии, к месту для закачивания.
Закачивание по существу несжимаемых объектов включает отделение по существу несжимаемых объектов от текущей среды суспензии перед закачиванием по существу несжимаемых объектов в столб бурового раствора.
Способ включает отделение несжимаемых объектов от бурового раствора, возвращаемого из буровой скважины.
Способ включает отделение несжимаемых объектов и бурового шлама от бурового раствора.
Способ включает отделение несжимаемых объектов от бурового шлама.
Отделение несжимаемых объектов от бурового шлама включает выгрузку несжимаемых объектов и бурового шлама в емкость, по меньшей мере частично заполненную водой.
Способ включает извлечение несжимаемых объектов из емкости, по меньшей мере частично заполненной водой.
Несжимаемые объекты подают к месту для закачивания по трубопроводу, расположенному вне водоотделяющей колонны.
Несжимаемые объекты подают к месту для закачивания по трубопроводу, расположенному внутри водоотделяющей колонны.
Трубопровод включает бурильную трубу.
Место для закачивания расположено в обсаженной части ствола буровой скважины.
Несжимаемые объекты подают к месту для закачивания по трубопроводу, расположенному вне обсадной колонны обсаженной части ствола буровой скважины.
Несжимаемые объекты подают к месту для закачивания по трубопроводу, расположенному внутри обсадной колонны обсаженной части ствола буровой скважины.
Трубопровод включает бурильную трубу.
Место для закачивания расположено на необсаженной части ствола скважины.
Указанные объекты подают к месту для закачивания по трубопроводу, расположенному в необсаженной части ствола скважины.
Трубопровод включает бурильную трубу.
Несжимаемые объекты закачивают с расходом, достаточным для достижения предварительно заданного градиента давления бурового раствора в части столба бурового раствора.
Несжимаемые объекты закачивают с расходом, достаточным для достижения предварительно заданной плотности бурового раствора в столбе выше места для закачивания.
Плотность р бурового раствора в столбе определяют согласно следующему уравнению:
где pf - плотность бурового раствора, не содержащего по существу несжимаемые объекты;
ps - плотность по существу несжимаемых объектов;
ν - концентрация по существу несжимаемых объектов.
49. Способ по п.29, в котором по существу несжимаемые объекты закачивают в столб бурового раствора в суспензии, содержащей смесь по существу несжимаемых объектов и текучей среды суспензии, и плотность р бурового раствора в столбе определяют согласно следующему уравнению:
где рm - плотность бурового раствора, не содержащего по существу несжимаемые объекты;
рs - плотность суспензии;
Qm - расход бурового раствора;
Qs - расход суспензии.
Плотность несжимаемых объектов меньше плотности воды.
Согласно изобретению создана система для регулирования градиента давления в столбе бурового раствора над забоем скважины, часть которого ограничена водоотделяющей колонной, соединяющей подводное морское устье скважины и поверхностное местоположение скважины, содержащая трубопровод, подсоединенный между поверхностным местоположением и местом для закачивания в водоотделяющей колонне вблизи подводного морского устья скважины, систему для закачивания в трубопровод суспензии, содержащей смесь по существу несжимаемых объектов и текучей среды суспензии, причем несжимаемые объекты имеют плотность, меньшую чем плотность бурового раствора.
Текучая среда суспензии содержит буровой раствор.
Текучая среда суспензии содержит существенно облегченный буровой раствор.
Текучая среда суспензии содержит воду.
Система содержит средство для отделения по существу несжимаемых объектов от текучей среды суспензии перед закачиванием по существу несжимаемых объектов в столб бурового раствора, средство для закачивания отделенных по существу несжимаемых объектов в столб бурового раствора.
Система содержит средство для возврата отделенной текучей среды к поверхностному местоположению.
Средство для возврата отделенной текучей среды к поверхностному местоположению включает обратную линию.
Средство для возврата отделенной текучей среды к поверхностному местоположению включает средство для подъема отделенной текучей среды по обратной линии.
Средство для закачивания отделенных по существу несжимаемых объектов в столб бурового раствора включает насос.
Средство для отделения по существу несжимаемых объектов включает сито с размером ячеек, меньшим чем размеры по существу несжимаемых объектов.
Средство для отделения по существу несжимаемых объектов включает емкость, в которой поддерживается давление газа для образования водогазовой поверхности раздела, впуск для суспензии, расположенный в емкости ниже водогазовой поверхности раздела и соединенный с трубопроводом, выпуск для воды, расположенный в емкости ниже водогазовой поверхности раздела, выпуск для объектов, расположенный в емкости выше водогазовой поверхности раздела и соединенный с местом для закачивания.
Система содержит средство для отделения несжимаемых объектов от бурового раствора, возвращаемого из столба бурового раствора.
Средство для отделения несжимаемых объектов от бурового раствора содержит сито для отделения несжимаемых объектов и бурового шлама от бурового раствора.
Ячейки сита имеют размер, меньший чем размер несжимаемых объектов.
Средство для отделения несжимаемых объектов от бурового шлама включает емкость, по меньшей мере частично заполненную водой, предназначенную для приема несжимаемых объектов и бурового шлама от сита.
Сито содержит вибросито.
По существу несжимаемые объекты закачаны в водоотделяющую колонну с расходом, достаточным для снижения плотности бурового раствора в столбе выше места для закачивания до предварительно заданной плотности.
Плотность р бурового раствора в столбе выше места для закачивания определяют согласно следующему уравнению:
где pf - плотность бурового раствора, не содержащего по существу несжимаемые объекты;
ps - плотность по существу несжимаемых объектов;
ν - концентрация по существу несжимаемых объектов.
Суспензию закачивают в столб бурового раствора и плотность р бурового раствора в водоотделяющей колонне определяют согласно следующему уравнению:
где рm - плотность бурового раствора, не содержащего по существу несжимаемые объекты;
ps - плотность суспензии;
Qm - расход бурового раствора;
Qs - расход суспензии.
Плотность несжимаемых объектов меньше плотности воды.
По существу несжимаемые объекты содержат по существу сферические пустотелые объекты.
По существу сферические пустотелые объекты имеют наружный диаметр, больший приблизительно 100 мкм.
По существу несжимаемые объекты содержат пустотелые стеклянные шарики.
По существу несжимаемые объекты содержат пустотелые армированные пластиковые объекты.
Трубопровод расположен вне водоотделяющей колонны.
Трубопровод расположен внутри водоотделяющей колонны.
Трубопровод включает бурильную трубу.
Место для закачивания расположено в обсаженной части ствола буровой скважины.
Трубопровод расположен вне обсадной колонны обсаженной части ствола буровой скважины.
Трубопровод расположен внутри обсадной колонны обсаженной части ствола буровой скважины.
Трубопровод включает бурильную трубу.
Место для закачивания расположено в необсаженной части ствола скважины.
Трубопровод расположен в необсаженной части ствола скважины.
Трубопровод включает бурильную трубу.
Далее приводится подробное описание изобретения со ссылками на чертежи, на которых изображено следующее.
Фиг.1 изображает схематический вид системы согласно настоящему изобретению.
Фиг.2 - систему согласно настоящему изобретению, в которую закачивают суспензию, содержащую буровой раствор.
Фиг.3 - систему согласно настоящему изобретению, в которую закачивают суспензию, содержащую морскую воду.
Фиг.4 - детали одного варианта системы согласно настоящему изобретению, в которую закачивают суспензию, содержащую морскую воду.
Фиг.5 - детали альтернативного варианта исполнения системы согласно настоящему изобретению, в которую закачивают суспензию, содержащую морскую воду.
Фиг.6 - детали альтернативного варианта исполнения системы согласно настоящему изобретению, в которую закачивают суспензию, содержащую буровой раствор.
Фиг.7 - систему для извлечения несжимаемых объектов согласно настоящему изобретению.
Фиг.8 - альтернативный вариант исполнения системы, в котором суспензию, содержащую первичный буровой раствор и несжимаемые объекты, подают к месту для закачивания по бурильной колонне.
Фиг.9 - альтернативный вариант исполнения системы, в котором несжимаемые объекты подают к месту для закачивания по колонне, концентричной бурильной колонне.
Фиг.10 - альтернативный вариант исполнения системы, в котором несжимаемые объекты подают к месту для закачивания по паразитной колонне, расположенной в обсадной колонне.
На фиг.1 показано буровое судно 11 или другое основание для морского бурения. Специалистам в данной области понятно, что фигуры являются по сути схематическими и выполнены не в масштабе. Буровое судно 11 предназначено для выполнения бурения в открытом море согласно способу, известному специалистам в данной области. Водоотделяющая колонна 13 для бурения установлена между буровым судном 11 и подводным морским устьем 15 скважины с блоком противовыбросовых превенторов.
С бурового судна 11 выполняют бурение с использованием колонны 17 бурильных труб, присоединенных с поверхности к забойному оборудованию 19, присоединенному к буровому долоту 21. Соответствующий подъемный механизм (не показан) установлен на буровом судне 11 для подъема и опускания бурильной трубы 17 так, чтобы создавать нагрузку на долото 21. Кроме того, на буровом судне 11 предусмотрено вращательное оборудование (не показано), например стол бурового ротора или верхний привод, для сообщения вращательного движения долоту 21.
Способом, известным специалистам в данной области, обеспечивают циркуляцию бурового раствора вниз по колонне 17 бурильных труб и забойному оборудованию 19 через долото 21 и вверх по буровой скважине 23 и водоотделяющей колонне 13 назад к буровому судну 11. Система циркуляции бурового раствора включает грязевой насос 25. Нагнетательный канал грязевого насоса 25 соединен с трубопроводом 27, соединенным с колонной 17 бурильных труб посредством вертлюга 29.
Согласно настоящему изобретению буровой раствор в водоотделяющей колонне 13 легче, чем буровой раствор в кольцевом пространстве или в колонне 17 бурильных труб. Давление в нижней части колонны 17 бурильных труб больше, чем давление в кольцевом пространстве в нижней части буровой скважины 23. Перепад давления в нижней части буровой скважины может привести к потоку раствора из-за того, что эти каналы являются сообщающимися, когда выключают грязевой насос 25, например когда добавляют трубы в колонну 17 бурильных труб. В соответствии с этим, в колонну 17 бурильных труб может быть встроен клапан 30 для предотвращения потока раствора, когда выключают грязевой насос 25. Клапан 30 в колонне бурильных труб должен обеспечивать возможность протекания потока при минимальном падении давления, когда буровой раствор нагнетают вниз по колонне 17 бурильных труб, в то же время препятствуя прохождению потока, когда грязевой насос 25 выключают.
Отработанный буровой раствор, возвращаемый на буровое судно 11 по водоотделяющей колонне 13, очищают с использованием системы для удаления твердых частиц, которая включает обычное вибросито 31. Очищенный буровой раствор собирают в резервуаре 33, соединенном трубопроводом 35 с всасывающим каналом грязевого насоса 25.
Согласно настоящему изобретению система предназначена для закачивания плавучих несжимаемых объектов в водоотделяющую колонну 13 вблизи устья скважины 15. На фигурах несжимаемые объекты изображены в виде маленьких кружков. В предпочтительном варианте исполнения плавучие по существу несжимаемые объекты содержат по существу сферические объекты, имеющие диаметр, больший приблизительно 100 мкм, чтобы их можно было отделять от бурового раствора, используя обычное вибросито с размером ячейки 0,149 мм. Предпочтительно объекты имеют плотность менее приблизительно 0,5 г/см3. Кроме того, объекты должны иметь достаточную прочность, чтобы противостоять давлению, которому они подвергаются на максимальной глубине моря, при которой используют систему согласно настоящему изобретению. Примерами подходящих объектов являются пустотелые стеклянные шарики, выпускаемые фирмой 3М Company под торговой маркой Scotchlite™ и Minispheres™, поставляемые фирмой Balmoral Group International, Inc. (США, шт. Техас, г. Хьюстон). Пустотелые стеклянные шарики Scotchlite™ обладают удельной плотностью около 0,38 г/см3 и они могут использоваться на глубине до 2743,1 м. Пустотелые стеклянные шарики Minispheres™ являются пустотелыми в основном сферическими телами, обычно диаметром 10 мм, которые изготавливают из эпоксидной смолы, армированной волокном. Объекты Minispheres™, армированные углеродным волокном, имеют удельную плотность в пределах около 0,43-0,66 г/см3 и могут использоваться на глубине до 4571,9 м.
Согласно настоящему изобретению несжимаемые объекты закачивают в водоотделяющую колонну 13 в виде суспензии, содержащей буровой раствор или морскую воду. Суспензию нагнетают с бурового судна 11 к месту 41 для закачивания в водоотделяющей колонне 13 по трубопроводу 43, соединенному с нагнетательным каналом насоса 45, который может быть обычным грязевым насосом. В системе для закачивания в трубопроводе 43 рядом с местом 41 для закачивания вмонтирован подходящий клапан 47.
Суспензию предпочтительно готовят в смесительном резервуаре 51, соединенном с всасывающим каналом насоса 45 трубопроводом 53. Как будет более подробно рассмотрено ниже, состав суспензии и подачу ее при закачивания объектов в водоотделяющую колонну 13 контролируют для того, чтобы обеспечивать требуемую плотность бурового раствора в водоотделяющей колонне 13. По мере закачивания объектов в водоотделяющую колонну 13 несжимаемые объекты смешиваются с буровым раствором в водоотделяющей колонне 13, таким образом уменьшая плотность раствора в водоотделяющей колонне 13 над местом 41 для закачивания.
Смесь бурового раствора и объектов поднимается вверх в водоотделяющей колонне 13 к буровому судну 11 к отклонителю. Буровой раствор с объектами и буровой шлам отводят от отклонителя по трубопроводу 55 к виброситу 31. На вибросите отделяют объекты и твердые частицы шлама от бурового раствора. Очищенный буровой раствор проходит через вибросито 31 в резервуар 33 для бурового раствора, а объекты и твердые частицы шлама отводят от вибросита 31 в отстойник 57. Несжимаемые объекты выбирают из отстойника 57 и направляют в смесительный резервуар 51 по трубопроводу 59. В варианте исполнения настоящего изобретения, в котором используют суспензию, содержащую буровой раствор, буровой раствор можно подавать в смесительный резервуар 51 по трубопроводу 61, соединенному с резервуаром 33 для бурового раствора или с отдельным источником бурового раствора, например "исходного бурового раствора". В варианте исполнения настоящего изобретения, в котором используют суспензию, содержащую морскую воду, трубопровод 61 соединен с источником морской воды.
На фиг.2 показаны детали системы согласно настоящему изобретению для закачивания суспензии, содержащей буровой раствор. Как показано на фиг.2, трубопровод 43 присоединен к водоотделяющей колонне 13 в месте 41 для закачивания. Суспензию из несжимаемых объектов и бурового раствора просто закачивают в водоотделяющую колонну 13 в месте 41 для закачивания. Давление, создаваемое насосом 45 (фиг.1), выбирают так, чтобы оно было больше гидростатического давления в водоотделяющей колонне 13 около места 41 для закачивания. В трубопроводе 43 установлен соответствующий обратный клапан (на фиг.2 не показан) так, чтобы буровой раствор не вытекал обратно в трубопровод 43.
Согласно настоящему изобретению буровой раствор, используемый для образования суспензии, может быть легче бурового раствора в первичной системе бурового раствора. Благодаря разбавлению, чем легче буровой раствор в сравнении с суспензией, тем больше может быть снижена плотность бурового раствора в водоотделяющей колонне 13. Плотность текущей среды суспензии может быть снижена путем удаления утяжеляющего материала из первичного бурового раствора до приготовления суспензии. В альтернативном варианте исполнения может быть приготовлен отдельный легкий исходный буровой раствор для суспензии. В любом случае следует правильно подобрать плотность первичного бурового раствора до нагнетания его обратно вниз в колонну бурильных труб.
На фиг.3 показана система согласно настоящему изобретению для закачивания суспензии, содержащей морскую воду. По трубопроводу 43 подают смесь морской воды и объектов через систему 71 для отделения и закачивания. Система 71 подробно описана со ссылками на фиг.4 и 5. Выпуск системы 71 присоединен к месту 41 для закачивания посредством трубопровода 73. Буровой раствор может быть подан из водоотделяющей колонны 13 в трубопровод 43 или в систему 71 через соответствующий трубопровод 75, изображенный пунктирными линиями.
На фиг.4 показан один вариант исполнения системы согласно настоящему изобретению, в котором используют суспензию, содержащую морскую воду. На фиг.4 система 71а для отделения и закачивания включает отклоняющий трубопровод 77, соединенный с трубопроводом 43 для подачи суспензии. Сито 79, имеющее размер ячейки, меньший диаметра несжимаемых объектов, расположено между трубопроводом 43 для подачи суспензии и отклоняющим трубопроводом 77. С помощью сита 79 отделяют объекты от морской воды. Морскую воду отводят по отклоняющему трубопроводу 77.
Отделенные объекты направляют к всасывающему каналу насоса, который на проиллюстрированном варианте исполнения является насосом Moineau 81. Насосы Moineau хорошо известны специалистам в данной области, и они работают на принципе последовательного перемещения полости и содержат геликоидальную винтовую пару, из которой один элемент является ротором, а другой - статором.
Нагнетательный канал насоса Moineau 81 соединен с местом 41 для закачивания. Трубопровод 75 присоединен к всасывающей стороне насоса Moineau 81 для подачи бурового раствора из водоотделяющей колонны 13 к всасывающему каналу насоса Moineau 81. Насос Moineau 81 можно приводить в действие текучей средой, нагнетаемой вниз по трубопроводу 43, с объектами, таким образом исключая необходимость в отдельной электрической или гидравлической линии, проходящей с поверхности. С помощью насоса Moineau 81 образуют суспензию из бурового раствора и несжимаемых объектов и закачивают эту суспензию в водоотделяющую колонну 13 в месте 41 для закачивания. Хотя насос в проиллюстрированном варианте исполнения является насосом Moineau, специалистам в данной области должно быть понятно, что согласно настоящему изобретению может быть использован любой подходящий насос, например лопастной, поршневой, диафрагменный, центрифугальный и т.п.
На фиг.5 показана альтернативная система 71b для закачивания. Система 71b для закачивания включает емкость 85, расположенную вблизи дна моря рядом с местом 41 для закачивания. Емкость 85 включает впуск 87 для суспензии, соединенный с трубопроводом 43 для приема суспензии, содержащей морскую воду. Емкость 85 включает выпуск 89 для морской воды, расположенный выше впуска 87. Емкость 85 также содержит выпуск 91 для объектов, расположенный выше выпуска 89 для морской воды. Емкость 89 частично находится под давлением газа так, чтобы образовывать водогазовую поверхность раздела над выпуском 89 для морской воды. Как показано на фиг.5, суспензия, содержащая морскую воду, поступает в емкость 85 через впуск 87. Несжимаемые объекты, обладая плавучестью, всплывают в емкости 85 к водогазовой поверхности раздела, таким образом отделяясь от морской воды. Отделенная морская вода вытекает из емкости 85 через выпуск 89 для морской воды. Несжимаемые объекты собирают и закачивают в водоотделяющую колонну 13 соответствующим закачивающим устройством 93. Закачивающее устройство 93 может быть насосом Moineau или подобным устройством.
На фиг.6 показана альтернативная система отделения и закачивания согласно настоящему изобретению, в которой объекты нагнетают с поверхности в суспензии бурового раствора, в которой буровой раствор может быть такого же состава и плотности, что и исходный буровой раствор, или она может являться исходным буровым раствором. Исходный буровой раствор - это смесь воды или синтетического масла, не содержащая утяжелителя. Система отделения и закачивания, показанная на фиг.6, подобна системе, показанной на фиг.4, в которой используют суспензию, содержащую морскую воду, за исключением того, что отделенный буровой раствор возвращают на поверхность. Система 71с для отделения и закачивания включает отклоняющий трубопровод 77с, соединенный с трубопроводом 43 для подачи суспензии. Сито 79с, имеющее размер ячейки меньше, чем диаметр несжимаемых объектов, расположено между трубопроводом 43 для подачи суспензии и отклоняющим трубопроводом 77с. С помощью сита 79с отделяют объекты от бурового раствора. Отделенный буровой раствор возвращают на поверхность по возвратной линии 80, соединенной с отклоняющим трубопроводом 77с.
Соответствующий глубинный насос 82 может быть установлен в возвратной линии 80 для обеспечения подъема отделенного бурового раствора на поверхность. В альтернативном варианте исполнения газлифт или другие подходящие средства могут быть использованы для обеспечения подъема бурового раствора на поверхность. В другом альтернативном варианте исполнения может быть установлен дроссель 84 вблизи всасывающего канала насоса 81 для создания перепада давления в потоке к водоотделяющей колонне 13, таким образом обеспечивая возможность возвращения на поверхность отделенного бурового раствора под действием насоса 45 (фиг.1) для подачи суспензии, расположенного на поверхности, и без насоса 82. В таких условиях необходим дроссель 84, в противном случае не будет достаточно давления у дна моря для того, чтобы нагнетать буровой раствор назад на поверхность из-за эффекта сообщающихся каналов, так как буровой раствор в возвратной линии 80 тяжелее суспензии в трубопроводе 43.
Отделенные объекты собираются у всасывающего канала насоса, который в проиллюстрированном варианте исполнения является насосом Moineau 81с. Концентрацию объектов предпочтительно максимизировать уравновешиванием расхода потока глубинного насоса 82 расходом потока жидкого компонента насоса 45 для подачи суспензии. Например, если суспензию, содержащую 50 объем.% объектов, нагнетают вниз по трубопроводу 43 с расходом 800 г/мин, то расход потока объектов составит 400 г/мин и расход потока текучей среды составит 400 г/мин. Если глубинный насос 82 нагнетает отделенный буровой раствор с расходом 400 г/мин, то концентрация сфер на всасывающем канале насоса Moineau 81с составит по существу 100%. Расстояние между объектами, закачиваемыми в водоотделяющую колонну 13, может быть заполнено буровым раствором, отведенным из водоотделяющей колонны 13 по трубопроводу 86, изображенному пунктирными линиями и соединенному с нагнетательным каналом насоса Moineau 81с.
Нагнетательный канал насоса Moineau 81с соединен с местом 43 для закачивания. Насос Moineau 81с может приводиться в действие потоком текучей среды, подаваемой вниз по трубопроводу 43 с объектами, таким образом исключая необходимость в отдельной электрической или гидравлической линиях, проводимых с поверхности. Хотя насос в проиллюстрированном варианте исполнения является насосом Moineau, специалистам в данной области должно быть понятно, что согласно настоящему изобретению может быть использован любой подходящий насос, например лопастной, поршневой, диафрагменный, центрифугальный и т.п.
Плотность исходного бурового раствора существенно меньше плотности утяжеленного бурового раствора (например, 1,08 г/см3 против 1,68 г/см3). Исходный буровой раствор имеет тот же химический состав, что и утяжеленный буровой раствор. Таким образом малое количество исходного бурового раствора, закачиваемого в водоотделяющую колонну со сферами, не загрязняет буровой раствор в водоотделяющей колонне 13.
Система возврата отделенной текучей среды такого типа, которая показана на фиг.6, может быть использована вместе с системой, в которой используют суспензию, содержащую морскую воду, для удовлетворения любых требований, связанных с защитой окружающей среды. В такой системе отделенная морская вода скорее должна быть возвращена на поверхность, чем сброшена в океан вблизи устья скважины. Возвращаемую морскую воду можно повторно использовать для образования суспензии или ее можно переработать перед ее сбросом в океан.
На фиг.7 показаны детали системы отделения бурового шлама и несжимаемых объектов от бурового раствора. Буровой раствор, возвращаемый из водоотделяющей колонны 13, подают на поверхность вибросита 31. Как хорошо известно специалистам в данной области, с помощью вибросита 31 отделяют от бурового раствора твердые частицы, имеющие размер, больший, чем определенный размер. Отделенный буровой раствор проходит сквозь вибросито 31 в резервуар 33 для бурового раствора. Отделенные твердые частицы, включая несжимаемые объекты и буровой шлам, направляют поверх вибросита 31 в резервуар 57. Резервуар 57 частично заполняют водой. В результате шлам оседает на дно, а несжимаемые объекты всплывают, и таким образом отделяют несжимаемые объекты от бурового шлама. Буровой шлам собирают со дна резервуара 57 для вывоза в отвал. Несжимаемые объекты собирают с поверхности резервуара 57 для повторного введения в водоотделяющую колонну 13.
На фиг.8 показана альтернативная система, в которой несжимаемые объекты подают к месту для закачивания, расположенному внутри водоотделяющей колонны 13, в виде суспензии, образованной на основе первичного бурового раствора. В системе, показанной на фиг.8, несжимаемые объекты смешивают с первичным буровым раствором и транспортируют к внутреннему месту 41а для закачивания по колонне бурильных труб 17. Грязевым насосом 25 (фиг.1) для подачи первичного бурового раствора нагнетают суспензию, включающую несжимаемые объекты и первичный буровой раствор, вниз по колонне бурильных труб к устройству 101 для отделения и закачивания, расположенному в колонне бурильных труб у дна моря. Устройство 101 для отделения и закачивания, расположенное в колонне бурильных труб, включает трубчатую муфту, содержащую сито 103 и множество отверстий 105. С помощью устройства 101 для отделения и закачивания, расположенного в колонне бурильных труб, отделяют несжимаемые объекты от бурового раствора и закачивают отделенные объекты в водоотделяющую колонну. Отделенный буровой раствор продолжает опускаться по колонне бурильных труб к долоту и затем поднимается обратно по кольцевому пространству к водоотделяющей колонне, где он смешивается с несжимаемыми объектами для возврата на поверхность. При использовании способа закачивания по колонне бурильных труб не требуется, чтобы несжимаемые объекты были отделены от бурового раствора, возвращаемого на поверхность.
Как ясно показано на фиг.8, место для закачивания может быть расположено в секции 107 обсаженного ствола скважины или в секции 109 необсаженного ствола скважины. Как хорошо известно специалистам в данной области, секция 107 обсаженного ствола скважины образована обсадной трубой 111, зацементированной в стволе 113 скважины. Открытая секция 109 ствола скважины - это необсаженная часть ствола скважины.
Перемещением места для закачивания вниз по стволу скважины градиенты давления в стволе скважины выше и ниже места для закачивания могут быть дополнительно изменены. Закачиванием объектов в секцию обсаженного ствола скважины градиент давления в секции необсаженного ствола скважины может быть снижен при более низкой концентрации объектов. Закачиванием объектов во множестве мест для закачивания градиенты давления между местами для закачивания можно отрегулировать так, чтобы они находились в диапазоне между градиентами давления гидравлического разрыва пласта секции необсаженного ствола скважины, таким образом дополнительно снижая количество секций обсаженного ствола скважины, которые необходимо сооружать.
На фиг.9 показана еще одна альтернативная система, в которой суспензию, содержащую буровой раствор и несжимаемые объекты, подают к месту 41b для закачивания по колонне, концентричной колонне 115 бурильных труб. Концентричная колонна 115 бурильных труб включает внутреннюю бурильную трубу 117, которая выполняет роль обычной бурильной трубы, и наружную трубу 119, которая выполняет роль трубопровода для подачи суспензии. Как показано на фиг.9, место 41b для закачивания определено концом 121 наружной трубы 119. Как было отмечено со ссылкой на фиг.8, место 41b для закачивания может быть расположено в водоотделяющей колонне 13, в секции 107 обсаженного ствола скважины или в секции 109 необсаженного ствола скважины.
На фиг.10 показана еще одна альтернативная система согласно настоящему изобретению. В системе, представленной на фиг.10, суспензию, содержащую буровой раствор и несжимаемые объекты, подают к месту 41с для закачивания в области секции 107 обсаженного ствола скважины по побочной колонне 131. Побочную колонну 131 цементируют в кольцевом пространстве между обсадной трубой 111 и стенкой 133 ствола буровой скважины, как показано на фиг.10.
Способ выполняют следующим образом.
Несжимаемые плавучие объекты закачивают в водоотделяющую колонну вблизи дна моря предпочтительно с расходом, достаточным для снижения плотности раствора в водоотделяющей колонне по существу до величины, соответствующей плотности морской воды. Плотность р бурового раствора в водоотделяющей колонне определяют согласно следующему уравнению:
где pf - плотность бурового раствора, не содержащего по существу несжимаемые объекты;
ps - плотность по существу несжимаемых объектов;
ν - концентрация по существу несжимаемых объектов.
Исследуя уравнение, можно показать, что при 20 объем.% концентрации сфер с плотностью 0,38 г/см3 плотность суспензии, содержащей буровой раствор с плотностью 1,2 г/см3, снижается до плотности морской воды, составляющей 1,03 г/см3, тогда как для снижения плотности суспензии, содержащей буровой раствор с плотностью 1,68 г/см3, до плотности морской воды требуется 50% концентрация. Таким образом, способ и система согласно настоящему изобретению вполне эффективны в широком диапазоне плотностей буровых растворов.
В варианте исполнения изобретения, при котором используют суспензию, содержащую буровой раствор (без возврата раствора), несжимаемые объекты подают с бурового судна 11 к морскому дну в виде исходной суспензии. Суспензия, подаваемая к морскому дну, смешивается с буровым раствором в водоотделяющей колонне, таким образом увеличивая расход потока в водоотделяющей колонне и снижая концентрацию сфер. Плотность р бурового раствора в водоотделяющей колонне в варианте исполнения, при котором используют суспензию, содержащую буровой раствор, определяют согласно следующему уравнению:
где рm - плотность бурового раствора, не содержащего по существу несжимаемые объекты;
ps - плотность суспензии;
Qm - расход бурового раствора;
Qs - расход суспензии.
При нагнетании суспензии с расходом 800 г/мин (например, при концентрации 60 объем.% сфер с плотностью 0,38 г/см3 в буровом растворе с той же плотностью, что и первичный буровой раствор, который циркулирует в буровой скважине) в буровую скважину с расходом 800 г/см3 бурового раствора расход в водоотделяющей колонке увеличивается до 1600 г/мин, а концентрация сфер снижается приблизительно до 30%. Таким образом максимальная концентрация, которая может быть достигнута в системе, в которой используют суспензию, содержащую буровой раствор, составляет около 30% в сравнении с приблизительно 50% в системе, где носителем является морская вода или буровой раствор при отделенной системе возврата жидкости. В соответствии с этим максимальная плотность бурового раствора, при которой суспензия, содержащая первичный буровой раствор, в варианте исполнения согласно настоящему изобретению без возврата раствора, может быть использована для снижения плотности бурового раствора в водоотделяющей колонне до уровня, соответствующего плотности морской воды, составляет около 1,236 г/м3. Таким образом при применении более тяжелых буровых растворов в системе, в которой используют суспензию, содержащую первичный буровой раствор, одна эта система не может обеспечить снижение плотности бурового раствора в водоотделяющей колонне до значения, соответствующего плотности морской воды. В соответствии с этим, в таких случаях следует использовать систему, в которой применяют суспензию, содержащую морскую воду, систему, в которой применяют суспензию, содержащую легкий буровой раствор, или систему, в которой применяют концентрацию объектов и возврат раствора. В альтернативном варианте исполнения, при использовании более тяжелого бурового раствора система согласно настоящему изобретению может быть совмещена с другими технологиями бурения с двойным градиентом, например с газлифтом или глубинными насосами.
Из сказанного выше следует, что настоящим изобретением создана многоградиентная система бурения, при использовании которой можно преодолеть недостатки известных способов бурения. Закачивание несжимаемых плавучих объектов в водоотделяющую колонну позволяет снизить или исключить потребность в сложных глубинных насосах, эксплуатация которых может быть дорогостоящей и сложной. Объекты можно нагнетать в место закачивания, используя обычные грязевые насосы, исключая, таким образом, потребность в дорогостоящих компрессорах и в азоте, требующемся для газлифтных систем. Объекты могут быть удалены, если это необходимо, из бурового раствора, возвращенного из буровой скважины, посредством использования обычных вибросит. Объекты могут быть закачаны во множестве мест в столб бурового раствора для образования множества градиентов давления, таким образом, дополнительно снижая потребность в установке обсадных труб.
Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин в море. Система для бурения скважины, имеющей забой под морским дном, содержит систему бурового раствора для создания столба бурового раствора над забоем скважины, систему для закачивания по существу несжимаемых объектов в столб в месте для закачивания. Часть столба бурового раствора ограничена водоотделяющей колонной, соединяющей подводное морское устье скважины и поверхностное местоположение скважины. Место для закачивания расположено в водоотделяющей колонне вблизи подводного морского устья скважины. Несжимаемые объекты имеют плотность, меньшую чем плотность бурового раствора. Система для регулирования градиента давления в столбе бурового раствора над забоем скважины содержит трубопровод, подсоединенный между поверхностным местоположением скважины и местом для закачивания, систему для закачивания в трубопровод суспензии, содержащей смесь по существу несжимаемых объектов и текучей среды суспензии. Повышается надежность и эффективность системы, снижаются затраты на ее сооружение. 3 н. и 81 з.п. ф-лы, 10 ил.
где pf - плотность бурового раствора, не содержащего по существу несжимаемые объекты;
ps - плотность по существу несжимаемых объектов;
ν - концентрация по существу несжимаемых объектов.
где pm - плотность бурового раствора, не содержащего по существу несжимаемые объекты;
ps - плотность суспензии;
Qm - расход бурового раствора;
Qs - расход суспензии.
где pf - плотность бурового раствора, не содержащего по существу несжимаемые объекты;
ps - плотность по существу несжимаемых объектов;
ν - концентрация по существу несжимаемых объектов.
где pm - плотность бурового раствора, не содержащего по существу несжимаемые объекты;
ps - плотность суспензии;
Qm - расход бурового раствора;
Qs - расход суспензии.
где pf - плотность бурового раствора, не содержащего по существу несжимаемые объекты;
ps - плотность по существу несжимаемых объектов;
ν - концентрация по существу несжимаемых объектов.
где pm - плотность бурового раствора, не содержащего по существу несжимаемые объекты;
ps - плотность суспензии;
Qm - расход бурового раствора;
Qs - расход суспензии.
| US 3815673 A, 11.06.1974.SU 1330306 A, 15.08.1987.US 5839520 A, 24.11.1998.US 4423791 A, 03.01.1984.US 4291772 A, 29.09.1981.EP 0289673 A1, 09.11.1988. |
