Способ завершения необсаженной части ствола буровой скважины

 

Сущность изобретения: по способу завершения необсаженной части ствола буровой скважины в заранее определенном месте размещают гильзу. Гильзу закрепляют в скважине. Затем ее расширяют. Это осуществляют путем перемещения через гильзу разжимной оправки. В качестве гильзы используют гильзу с взаимно перекрывающими продольными прорезями. В качестве разжимной оправки используют либо оправку с конусом, либо оправку с цилиндрическим корпусом, отклоняющимися наружу пальцами и конусом. Последний установлен в цилиндрическом корпусе и служит для отклонения пальцев наружу. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области бурения, а более точно, к способу завершения необсаженной части ствола буровой скважины в подземных формациях. Примером такой буровой скважины является скважина, пробуренная в формациях, содержащих углеводороды для извлечения из них углеводородов.

Для предупреждения разрушения стенок скважины производят закрепление ствола скважины размещенной в нем обсадной колонной, которая крепится в стволе скважины посредством слоя цемента между стенкой обсадной колонны и внутренней стенкой ствола скважины.

Для обеспечения по существу неограниченного притока жидкости из содержащих углеводороды формаций ствол скважины не обсаживают в той его части, которая пересекает содержащую углеводороды формации. Если содержащая углеводороды формация настолько слаба, что обрушивается, необсаженную часть ствола скважины завершают гильзой с прорезями, допускающими приток жидкости в ствол скважины.

Известный способ завершения необсаженной части ствола скважины в подземной формации включает размещение гильзы с прорезями в стволе скважины в месте расположения содержащей углеводороды формации и крепление гильзы. Крепление гильзы выполняют обычным путем прикрепления верхнего конца гильзы к нижнему концу обсадной колонны.

Поскольку внутренний диаметр обсаженной части ствола меньше диаметра ствола скважины и поскольку гильзу с прорезями приходится опускать через обсаженную часть ствола скважины, диаметр гильзы с прорезями меньше диаметра ствола скважины и за счет этого между гильзой и стенкой ствола скважины образуется кольцевое пространство. С течением времени формация рушится и засыпает наружную стенку гильзы, так что кольцевое пространство заполняется материалом. При добыче углеводородов жидкость будет протекать через формацию, через заполненное кольцевое пространство и через прорези в гильзе в обсаженный ствол скважины. Длина окружности, через которую жидкость поступает в обсаженный ствол скважины, уменьшается таким образом, с длины окружности ствола скважины до длины окружности наружной стенки гильзы.

В патенте США N 3191680 раскрыт способ завершения необсаженной части ствола скважины в подземной формации, который включает размещение в заранее определенном месте скважины гофрированной гильзы, закрепление гильзы и расширение гильзы путем перемещения через нее разжимной оправки.

Наружный диаметр известной разжимной оправки равен диаметру разжатой гильзы. Следовательно, в известном способе максимальный диаметр полученной разжатой гильзы с прорезями равен ее первоначальному диаметру.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание способа завершения необсаженной части ствола скважины, допускающего оптимальное использование сечения ствола скважины для максимально возможного уменьшения сопротивления потоку жидкости, при котором гильза с прорезями разжимается до диаметра, превышающего ее первоначальный диаметр. Этот технический результат достигается тем, что в способе завершения необсаженной части ствола буровой скважины, включающем размещение гильзы в заранее определенном месте ствола скважины, закрепление гильзы и ее расширение путем перемещения через нее разжимной оправки, согласно изобретению, в качестве гильзы используют гильзу с взаимно перекрывающими продольными прорезями, а в качестве разжимной оправки используют оправку с конусом, выполненным на оправке в направлении ее перемещения, или оправку с цилиндрическим корпусом, отклоняющимися наружу пальцами и установленным в цилиндрическом корпусе конусом для отклонения пальцев наружу.

Предполагается, что в процессе перемещения оправки через гильзу диаметр гильзы увеличивается. Увеличение диаметра может достигаться путем проталкивания разжимной оправки вниз через гильзу, причем разжимная оправка имеет конус, направленный вниз, или диаметр гильзы увеличивают путем протягивания разжимной оправки с конусом, направленным вверх, через гильзу снизу вверх.

Неожиданно было обнаружено, что гильза с прорезями, разжатая разжимной оправкой, получает постоянный конечный диаметр, который больше наибольшего диаметра разжимной оправки. Разницу между постоянным конечным диаметром и наибольшим диаметром разжимной оправки обозначают как постоянное избыточное расширение. Это постоянное избыточное расширение было обнаружено для угла конусности конуса оправки, превышающего приблизительно 13^o. Оптимально угол конусности должен находиться в диапазоне от 30 до 90^o. Целесообразно использовать дополнительную гильзу с продольными прорезями, при этом основную и дополнительную гильзы следует поместить одна в другую, а прорези в каждой из гильз выполнить взаимно перекрывающими.

Предпочтительно наружную поверхность гильзы обернуть мембраной или экраном из мелкоячеистой сетки или экраном из спеченного материала или металла.

Желательно наружную поверхность внешней гильзы обернуть мембраной или экраном из мелкоячеистой сетки или экраном из спеченного материала или металла.

Поскольку гильза с прорезями будет выполнять функции фильтрования, то ее иногда называют фильтром.

Далее изобретение будет более подробно описано на примерах со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 изображает схематически продольный вид обсаженного ствола скважины с необсаженной частью, которую нужно завершить ; фиг. 2 - часть фиг. 1, на которой часть гильзы с прорезями разжата; фиг. 3 - узел I на фиг. 1, выполненный в увеличенном масштабе по сравнению с масштабом фиг. 1; фиг. 4 - узел II на фиг. 2, выполненный в увеличенном масштабе по сравнению с масштабом фиг. 2; фиг. 5 изображает схематически поперечное сечение гильзы с прорезями; фиг. 6 изображает схематически альтернативный вариант выполнения разжимной оправки.

На фиг. 1 показана нижняя часть ствола 1 скважины, пробуренной в подземной формации 2. Ствол 1 скважины имеет обсаженную часть 3, в которой ствол 1 скважины облицован обсадной колонной 4, прикрепленной к стенке ствола 1 скважины слоем цемента 5, и необсаженную часть 6.

В необсаженную часть 6 ствола 1 скважины опущена в заранее заданное положение, в данном случае в конец обсадной колонны 4 гильза 7, снабженная взаимно перекрывающими продольными прорезями 8. Следует отметить, что не все прорези обозначены позициями.

Верхний конец гильзы 7 прикреплен к нижнему концу обсадной колонны 4 соединительными приспособлениями (на чертежах не показаны), снабженными подходящими уплотнениями.

После закрепления верхнего конца гильзы 7 ее разжимают, используя для этого разжимную оправку 9. Гильзу 7 опускают на нижнем конце струны 10, закрепленной на разжимной оправке 9. Для разжатия гильзы 7 разжимную оправку 9 протягивают вверх через гильзу 7 путем натяжения струны 10. Разжимная оправка 9 имеет конус, выполненный в направлении перемещения оправки 9 через гильзу 7, т. е. в данном случае у разжимной оправки 9 конус выполнен на верхнем ее конце. Наибольший диаметр разжимной оправки 9 превышает внутренний диаметр гильзы 7.

На фиг. 2 показана гильза с прорезями в частично разжатом состоянии, при котором разжата нижняя часть гильзы. Одинаковые с фиг. 1 элементы обозначены одинаковыми позициями. Деформированные прорези обозначены позицией 8'.

На фиг. 3 показано выполнение на гильзе недеформированных прорезей 8, где l означает длину прорези, a - длину взаимного перекрытия и b - ширину прорези. На фиг. 4 показаны деформированные прорези 8'.

Сравнивая фиг. 3 с фиг. 4, можно видеть, что участки 11 стенки гильзы, в которых прорези не перекрывают друг друга, деформируются по окружности. На соседних участках, где прорези перекрывают друг друга, участки 12 стенки выгибаются наружу от цилиндрической поверхности недеформированной гильзы (наружный изгиб поверхности на фиг.4 не показан). Сочетание вращения и изгибания определяет разжатие, и деформация по окружности сохраняет разжатие гильзы.

Неожиданно было обнаружено, что при угле конусности конуса разжимной оправки, превышающем 13^o, постоянный конечный диаметр гильзы с прорезями будет больше диаметра разжимной оправки.

Обратимся теперь к фиг. 5, на которой d₁ - первоначальный наружный диаметр гильзы с прорезями (до разжатия), d_c наибольший диаметр разжимной оправки, γ - угол конусности и d_f - постоянный конечный наружный диаметр разжатой гильзы с прорезями.

При такой конфигурации было проведено несколько испытаний, результаты которых сведены в таблицу, в которой t - толщина стенки гильзы с прорезями и n - количество прорезей в направлении по окружности.

Испытания проводились с использованием следующих труб: 1) Труба изготовлена из стали марки J55 с минимальным пределом текучести 380 МПа (55 тыс.фунт/кв.дюйм) и с минимальным временным сопротивлением 520 МПа (75 тыс.фунт./кв.дюйм).

2) Труба изготовлена из стальной полосы в рулонах для производства труб с минимальным пределом текучести 480 МПа (70 тыс.фунт/кв.дюйм) и с минимальным временным сопротивлением 550 МПа (80 тыс.фунт./кв.дюйм).

3) Труба изготовлена из стали марки AISI 316L с минимальным пределом текучести 190 МПа (28 тыс. фунт/кв.дюйм) и с минимальным временным сопротивлением 490 МПа (71 тыс.фунт./кв.дюйм).

Полученные результаты ясно показывают постоянное избыточное разжатие для угла конусности, превышающего 13^o, причем для угла конусности, превышающего 30^o, постоянное избыточное разжатие четко выражено.

На фиг. 6 показан альтернативный вариант разжимной оправки 13, состоящей из цилиндрического корпуса 14 с осевыми пальцами 15, которые могут отклоняться наружу к конусу 16, установленному с осевыми зазором в цилиндрическом корпусе 14 для отклонения пальцев 15 наружу. К конусу 16 крепится струна 17 для перемещения разжимной оправки 13 через гильзу с прорезями.

Сначала гильзу опускают в ствол скважины, после чего верхний конец гильзы закрепляют. Затем через гильзу опускают разжимную оправку 13 ниже нижнего конца гильзы. После этого разжимную оправку 13 сжимают так, что осевые пальцы 15 выступают наружу до диаметра, несколько превышающего внутренний диаметр гильзы и затем разжимную оправку 13 вытягивают вверх, осевые пальцы 15 будут отклоняться все более до тех пор, пока цилиндрический корпус 14 не войдет в соприкосновение с верхней поверхностью конуса 16. Разжатая разжимная оправка 13 будет разжимать гильзу в процессе протягивания ее через гильзу.

В другом варианте выполнения гильзу с прорезями можно опустить в ствол скважины на конце струны 17, причем нижний конец гильзы опирается на несколько разжатую разжимную оправку 13. После установки гильзы разжимную оправку 13 протягивают вверх.

Еще в одном варианте реализации изобретения в заранее выбранном положении в стволе буровой скважины размещают две или более гильзы с прорезями, расположенные одна в другой. Удобнее всего применять две гильзы с прорезями. Каждая из гильз имеет взаимно перекрывающие друг друга прорези и гильзы с прорезями размещаются одна в другой, причем относительное положение гильз может быть выбрано таким образом, чтобы после разжатия прорези совпадали или не совпадали в радиальном направлении. Когда после разжатия прорези в радиальном направлении не совпадают между собой, жидкости, протекающие через эти гильзы, вынуждены проходить по зигзагообразному пути. Благодаря этому такой вариант подходит для предотвращения попадания в скважину песка.

Другим способом предотвращения попадания песка в скважину является обертывание наружной поверхности гильзы. Обычно оберткой может служить мембрана или экран из мелкоячеистой сетки или экран из спеченного материала или спеченного металла. Обертка может также быть нанесена на наружную поверхность самой внешней гильзы при использовании двух и более гильз.

Выше было описано опускание гильзы, опирающейся на разжимную оправку. Другой вариант предусматривает сначала опускание гильзы, ее закрепление и затем опускание через гильзу разжимной оправки в сжатой форме. После чего оправку разжимают и протягивают вверх для разжатия гильзы.

Способ, являющийся предметом настоящего изобретения, может быть применен в вертикальной или наклонной скважине, а также в скважине с горизонтальным конечным участком.

Скважина может быть пробурена для организации добычи жидкостей из подземных формаций через эту скважину или же скважина может использоваться для заканчивания жидкости в подземную формацию. Способ, являющийся предметом настоящего изобретения, может также быть использован для завершения части такого последнего варианта буровой скважины.

Геометрическая форма гильзы с прорезями и разжимной оправки может быть выбрана таким образом, чтобы конечный диаметр не ограниченной (свободной) разжатой гильзы с прорезями d_f на фиг. 5 был больше диаметра ствола буровой скважины. В этом случае разжатая гильза с прорезями прижимается к стенкам ствола скважины, что способствует повышению устойчивости ствола скважины.

Описанная разжимная оправка имеет конус, и линия пересечения наружной поверхности с плоскостью, проходящей через продольную ось разжимной оправки, оказывается кривой, а полуконусный угол определяется касательной к внутренней стенке гильзы и кривой линии пересечения.

Формула изобретения

1. Способ завершения необсаженной части ствола буровой скважины, включающий размещение гильзы в заранее определенном месте ствола скважины, закрепление гильзы и ее расширение путем перемещения через нее разжимной оправки, отличающийся тем, что в качестве гильзы используют гильзу с взаимно перекрывающими продольными прорезями, а в качестве разжимной оправки используют оправку с конусом, выполненным на оправке в направлении ее перемещения, или оправку с цилиндрическим корпусом, отклоняющимися наружу пальцами и установленным в цилиндрическом корпусе конусом для отклонения пальцев наружу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол конусности конуса разжимной оправки выбирают более 13^o.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют дополнительную гильзу с продольными прорезями, при этом основную и дополнительную гильзы помещают одну в другую, а прорези в каждой из гильз выполняют взаимно перекрывающими.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что наружную поверхность гильзы оборачивают предпочтительно мембраной, или экраном из мелкоячеистой сетки, или экраном из спеченного материала или металла.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что наружную поверхность внешней гильзы оборачивают предпочтительно мембраной, или экраном из мелкоячеистой сетки, или экраном из спеченного материала или металла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7