Способ и устройство для создания зацементированной системы соединения основного и бокового стволов скважины
Изобретение относится к области разведочного бурения и добычи углеводородов. Обеспечивает повышение эффективности строительства многоствольных скважин. Устройство содержит трубчатый элемент с предварительно выполненным в нем окном и расположенную у окна заслонку. На заслонке расположен антиадгезионный материал. Согласно способу к спуску в скважину подготавливают трубчатый элемент с предварительно выполненным в нем окном, заслонку, расположенную с обеспечением перекрытия окна в трубчатом элементе, и антиадгезионный материал, расположенный, по меньшей мере, на части поверхности заслонки, обращенной через окно в окружающую среду. Далее трубчатый элемент устанавливают в скважине и в кольцевое пространство вокруг трубчатого элемента вводят затвердевающее вещество. 3 н. и 26 з.п. ф-лы, 4 ил.
Перекрестные ссылки на родственные заявки
Приоритет изобретения испрашивается по дате подачи предварительной заявки на патент США №60/425355 от 11 ноября 2002 г., содержание которой в полном объеме включено в данное описание в качестве ссылки.
Уровень техники
За последние годы в практику разведочного бурения и добычи углеводородов прочно вошли многоствольные (многозабойные) скважины, т.е. скважины с несколькими боковыми стволами. В таких скважинах по определению имеются участки пересечения боковых стволов с основными. Эти участки называют соединениями стволов (а также сочленениями или ответвлениями). В соответствии с классификацией TAML (сокр. от англ. "Technical Advancement of Multilaterals", градация многоствольных скважин по уровню технического совершенства) соединения стволов по своим характеристикам делятся на уровни от 1-го до 6-го, первый из которых соответствует наименьшей степени сложности конструкции и функциональных возможностей, а шестой уровень - наивысшей степени. Для создания системы соединения основного и бокового стволов имеется множество инструментов и/или систем, одна из которых выпускается в промышленных масштабах фирмой "Бейкер Ойл Тулз", г.Хьюстон, Техас, и известна среди специалистов как система хвостовика с подвеской на крюке (hook hanger liner system). Эта система признана весьма эффективной при создании в многоствольных скважинах соединений стволов 3-го уровня по TAML. Такие системы весьма востребованы и эффективны в работе по своему назначению, однако не позволяют гарантированно создавать цементируемые соединения стволов 4-го уровня по TAML. Хотя систему хвостовика с подвеской на крюке иногда цементируют и ее использование может привести к получению зацементированного соединения стволов, она на это все же не рассчитана. В настоящее время цементирование скважин и очистка оборудования предполагают цементирование кольцевого пространства вокруг хвостовика бокового ствола, но само соединение стволов не цементируется, поскольку, как показывает практика, при очистке соединения от излишков цементного раствора происходит вымывание цементного раствора из зоны соединения стволов.
Поскольку необходимость в цементировании соединений стволов возникает часто, а система хвостовика с подвеской на крюке является востребованным и эффективным инструментом строительства скважин с несколькими боковыми стволами, промышленность заинтересована в разработке подобной системы хвостовика с подвеской на крюке, которая позволяла бы создавать зацементированные соединения стволов 4-го уровня в скважинах, где таковые необходимы.
Краткое изложение сущности изобретения
В изобретении предлагается устройство для создания зацементированной системы соединения основного и бокового стволов скважины, содержащее трубчатый элемент с предварительно выполненным в нем окном и расположенную у окна заслонку. На заслонке расположен антиадгезионный материал.
Объектом изобретения является также способ строительства скважины, заключающийся в том, что в системе соединения основного и бокового стволов скважины устанавливают отклонитель и наносят на этот отклонитель антиадгезионный материал. Далее вышеупомянутые элементы спускают в скважину и развертывают систему соединения стволов в окне выхода в боковой ствол, после чего на систему соединения стволов скважины наносят затвердевающее вещество. В изобретении предлагается также способ строительства скважины, заключающийся в том, что к спуску в скважину подготавливают трубчатый элемент с предварительно выполненным в нем окном, заслонку, расположенную таким образом, чтобы перекрывать окно в трубчатом элементе, и антиадгезионный материал, расположенный по меньшей мере на части поверхности заслонки, обращенной через окно в окружающую среду. В соответствии с этим способом трубчатый элемент устанавливают в скважине и в кольцевое пространство вокруг трубчатого элемента вводят затвердевающее вещество.
Краткое описание чертежей
Ниже сущность изобретения поясняется на примере осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых для обозначения аналогичных элементов конструкции использованы аналогичные ссылочные номера и на которых показано:
на фиг.1 - схематическое изображение в сечении места соединения трубчатого элемента в зоне предварительно выполненного в нем окна и расположенной в нем заслонки,
на фиг.2 - вид в продольном разрезе системы соединения основного и бокового стволов скважины,
на фиг.3 - вид варианта конструкции, показанного на фиг.2, сразу после завершения цементирования,
на фиг.4 - вид варианта конструкции, показанного на фиг.2, после открытия основного ствола скважины.
Подробное описание предпочтительного варианта изобретения
Ниже в качестве примера осуществления изобретения описаны способ и устройство, позволяющие извлекать из скважины элемент зацементированной конструкции после затвердения цементного раствора. Этот элемент конструкции может исполняться в различных вариантах, включая трубы (т.е. в этом случае из скважины можно извлечь весь узел), трубы с перекрытыми окнами (о чем пойдет речь ниже) и т.д. Для этого необходимо помешать сцеплению цементного раствора с подлежащим последующему извлечению элементом оборудования скважины. С этой целью изобретение предусматривает нанесение на извлекаемый элемент конструкции антиадгезионного материала таким образом, чтобы избежать сцепления цементного камня с этим элементом. Антиадгезионный материал представляет собой физический барьер между цементным раствором и вышеупомянутым элементом. Изобретение допускает применение различного типа антиадгезионных материалов при условии, что сцепление между антиадгезионным материалом и элементом конструкции, на котором он расположен, недостаточно для того, чтобы помешать разрушению этого сцепления от усилий подъема, имеющих место при нормальной эксплуатации скважины с использованием обычного оборудования.
Предлагаемые устройство и способ могут быть реализованы в конструкции, включающей трубчатый элемент 10 с предварительно выполненным (вырезанным или выфрезерованным) в нем окном 12 и заслонку 14 для этого окна (см. фиг.1). Заслонка должна иметь участок, который препятствует поступлению цементного раствора в окно, и этот участок, по меньшей мере частично, покрыт антиадгезионным материалом 16, исключающим или существенно уменьшающим сцепление с цементным камнем. В этом случае заслонка 14, которая может быть выполнена трубчатой формы, легко извлекается после цементирования. При снятой заслонке разбуривание цементного камня за предварительно выполненным окном в трубчатом элементе становится несложным делом. При этом отпадает необходимость в рассверливании металла, поскольку заслонка (если она металлическая) снимается перед началом бурильных работ или в процессе их проведения.
На практике результатом реализации рассмотренного выше технического решения является образование зацементированного соединения (сочленения) стволов скважины. Предлагаемое решение дает возможность полностью зацементировать соединение стволов скважины, дать цементному раствору схватиться и затем извлечь заслонку для разбуривания цементного камня, чтобы снова открыть доступ в основной ствол. Хотя предлагаемое в изобретении решение, реализованное как в способе, так и в устройстве, естественным образом позволяет создавать соединение стволов скважин любого вида, для чего необходимо знать лишь местоположение, ориентацию и глубину ответвления, его удобно рассматривать на примере системы хвостовика с подвеской на крюке, выпускаемой в промышленных масштабах фирмой "Бейкер Ойл Тулз", г.Хьюстон, Техас.
Поскольку система хвостовика с подвеской на крюке хорошо известна специалистам, она взята в качестве примера, иллюстрирующего возможности осуществления предлагаемых в изобретении способа и устройства. Компоненты этой системы и способ их использования рассмотрены в данном описании вкратце. Основное же внимание уделено отличиям предлагаемого решения от известной системы хвостовика с подвеской на крюке и взаимному расположению элементов конструкции устройства, обуславливающему эти отличия. Для целей данного описания предполагается, что уже пробурены по меньшей мере основной ствол и ответвление от него. Заметим также, что термин "основной" (главный) в данном случае относителен и обозначает лишь ствол скважины, от которого отходит боковой ствол. На практике такой основной, или главный, ствол сам может быть боковым стволом, ответвляющимся от другого основного ствола и т.д. Специалистам известно, как создаются подобные конструкции. Это не имеет прямого отношения к сущности изобретения.
На фиг.2 показаны основные составные части системы хвостовика с подвеской на крюке и их взаимное расположение. На чертеже основной, или главный, ствол 110 имеет обсадную колонну 112, окно 116, от которого отходит боковой ствол 118. На конце секции бурильной колонны 124 установлено следующее оборудование. Во-первых, это спускной инструмент 128 для спуска и подвески хвостовика вместе с разъединителем, причем на бурильной колонне 124 закреплены надставка 130 и хвостовик 132. На хвостовике 132 рядом со спускным инструментом 128 закреплен наружный пакер 134 обсадной колонны. В основном стволе 110 скважины остается дополнительный наружный пакер 134 обсадной колонны.
К спускному инструменту 128 внутри хвостовика 132 присоединена хвостовая труба 136, с которой соединены подвижные поршневые стаканы 138. На расстоянии примерно двух третей длины хвостовика 132 расположен переходник 140, который обеспечивает переход остальной части хвостовика 132 на меньший диаметр. Кроме того, около конца хвостовой трубы 136 расположен наружный пакер 142 обсадной колонны, используемый при цементировании кольцевого пространства между хвостовиком 132 и боковым стволом 118 скважины. На хвостовике 132 прямо над наружным пакером 142 расположен цементировочный клапан 144.
Ниже наружного пакера 134 обсадной колонны находится окно 152, предварительно выфрезерованное в хвостовике 132, которое после заканчивания соединения бокового ствола 118 и основного ствола 110 позволяет повторно входить в основной ствол 110. На хвостовике 132 расположен "крюк" 146, основными (но не единственными) задачами которого являются:
1) служить ограничителем, препятствующим выходу хвостовика 132 в окно 116, и
2) воспринимать вес хвостовика 132 и любые сопутствующие нагрузки.
На внутренней поверхности хвостовика 132 расположен отклонитель 160, который временно закрывает доступ через окно 152 в основной ствол 110. Отклонитель также придает хвостовику 132 дополнительную жесткость. В одном из вариантов исполнения отклонитель 160 на верхнем и нижнем концах имеет уплотнительные элементы 162, например, уплотнительные кольца. В этом случае хвостовик 132 может иметь полированные внутренние контактные поверхности, к которым прилегают уплотнительные элементы 162. Перед спуском инструмента в скважину отклонитель 160 устанавливается в положении, показанном на фиг.1, и обрабатывается снаружи материалом 164. Как отмечалось выше, назначение материала 164 (антиадгезионного материала) заключается в том, чтобы помешать сцеплению цементного раствора, впоследствии закачиваемого в скважину, с частью (по меньшей мере с частью) поверхности отклонителя 160, которая при отсутствии антиадгезионного материала выходила бы наружу через окно 152. Одним из подходящих для этого материалов является полисилоксановый каучук, другим - полиуретан или латексная краска, при этом следует иметь в виду, что приемлемым является любой материал, способствующий извлечению отклонителя 160 после схватывания и/или затвердения цементного раствора. Фактически это означает, что приемлемым будет такой материал, который создает не более чем слабое сцепление с отклонителем 160 или с цементным камнем (при этом не имеет значения, по какой именно поверхности произойдет отделение отклонителя: по поверхности контакта отклонителя и антиадгезионного материала или по поверхности контакта антиадгезионного материала и цемента, так как в обоих случаях будет достигнут один и тот же результат), причем такое сцепление называется слабым лишь в том смысле, что оно обеспечивает возможность отделения отклонителя и подъема его на поверхность без проведения каких-либо специальных работ, выходящих за рамки обычных спускоподъемных операций. Необходимо заметить, что в некоторых случаях предпочтительно, чтобы "слабое" сцепление имело место на поверхности контакта антиадгезионного материала и цементного камня, поскольку в этих случаях большая часть антиадгезионного материала извлекается из скважины, будучи приклеенной к отклонителю или заслонке. Тем самым снижается уровень дополнительного загрязнения скважины. Можно использовать материалы и с более высокой адгезионной способностью, если между такими материалами с повышенной адгезионной способностью и отклонителем 160 поместить дополнительное антиадгезионное вещество для достижения желаемых антиадгезионных характеристик. Во время цементирования отклонитель 160 вместе с нанесенным на него материалом препятствует поступлению цементного раствора внутрь хвостовика 132.
Следует отметить, что для определенных работ, проводимых в скважине, важными могут оказаться и другие свойства антиадгезионного материала. Например, в одних случаях может быть желательным, чтобы этот материал был эластичным, а в других случаях этого не потребуется. Предполагается, что предпочтение чаще будет отдаваться эластичному материалу, так как при извлечении заслонки, отклонителя и т.д. в случае сброса части, а то и всего антиадгезионного материала в скважинные флюиды, для эластичного материала вероятность причинения ущерба меньше. Следует также учитывать толщину нанесенного слоя антиадгезионного материала. Хотя для предотвращения сцепления с цементным раствором нужен лишь относительно тонкий слой антиадгезионного материала, после отделения заслонки этот материал снимается с поверхности контакта тонкими листами. Толстый слой антиадгезионного материала снимается более толстыми комками. В зависимости от того, какое скважинное оборудование может оказаться на пути, более желательными могут оказаться как тонкие листы, так и толстые комки. На выбор толщины покрытия может оказать влияние и такой фактор, как степень эластичности антиадгезионного материала. Более толстое покрытие является более эластичным. Наконец, следует иметь в виду, что при проведении работ, аналогичных рассматриваемым в данном описании, помимо цементного раствора могут использоваться и другие затвердевающие вещества. В этом случае следует учитывать химический состав системы "затвердевающее вещество - антиадгезионный материал" с точки зрения совместимости этих материалов для достижения желаемого результата, который, как отмечено выше, заключается в обеспечении возможности отделения отклонителя, заслонки, трубчатого элемента и т.д. от затвердевающего вещества.
В том случае, когда столб цементного раствора, поднимающийся выше местоположения отклонителя 160 в скважине (фиг.2-4), достаточно велик, оказывая на антиадгезионный материал 164 значительное давление, то если антиадгезионный материал является мягким и эластичным полимером, таким как полисилоксан, не исключена возможность выдавливания этого материала во внутреннее пространство хвостовика 132 вместе с некоторым количеством окружающего цементного раствора. Это безусловно нежелательно, так как изобретение имеет целью предотвратить именно это развитие событий.
В подобной ситуации выдавливание антиадгезионного материала и цементного раствора внутрь хвостовика можно предотвратить за счет использования уплотнительных элементов 162, рассмотренных выше и показанных на чертежах. Уплотнительные элементы 162 создают гидравлическое уплотнение, которое эффективно предотвращает выдавливание антиадгезионного материала 164 внутрь хвостовика 132. В тех случаях, где возникновение больших давлений не предвидится, для этой цели уплотнительные элементы 162 не нужны, хотя они могут потребоваться для решения других задач.
Рассмотренная выше система хвостовика с подвеской на крюке, описанная выше, спускается в основной ствол 110 скважины. Эта система обеспечивает автоматическое ориентирование хвостовика 132 после того, как патрубок 132 пройдет через окно 116.
После правильного ориентирования, вывода системы хвостовика с подвеской на крюке в боковое ответвление и установки ее в заданном положении проводится цементирование (см. фиг.2). Закачиваемый цементный раствор выходит наружу из полости хвостовика 132 или выступающей из него трубы (на фиг.2 не показана). Цементный раствор 153 поступает через цементировочный клапан 144, попадая в кольцевое пространство 151. После подачи цементного раствора в заданную область в количестве, которое по расчетам обеспечивает выход цементного кольца на заданное расстояние в основной ствол 110, закачивание цементного раствора 153 прекращается.
Дойдя до окна 116, цементный раствор 153 начинает поступать через окно 116 в основной ствол 110. Перемещению цементного раствора в те области основного ствола 110, куда он не должен попадать, препятствует временная пробка 114. Временная пробка 114 может быть сооружена множеством различных способов, это может быть песчаная пробка, мостовая пробка или тампон из тяжелого геля и т.д. Любая из этих пробок может быть расположена, как схематично показано на фиг.2 и 3 (позиция 114). Тип выбираемой пробки зависит от ряда факторов, таких как давление, угол наклона скважины и т.д. Специалистам известны критерии выбора конкретных типов пробок.
Поскольку при цементировании цементный раствор не может пройти ниже пробки 114, он поднимается вверх по стволу скважины, при этом окружая соединение стволов скважины и заполняя основной ствол 110 вверх на заданное расстояние, которое обычно ограничивают верхним краем хвостовика 132. Цементный раствор, перелившийся через верхний край хвостовика 132, может быть удален в процессе обычных работ по очистке системы от излишков цементного раствора.
При проведении работ по очистке системы от излишков цементного раствора отклонитель 160 остается на своем месте внутри хвостовика 132. В этом заключается отличие от существующих технических решений, поскольку без антиадгезионной способности материала 164 отклонитель 160 пришлось бы извлечь из скважины до закачки цементного раствора, иначе отклонитель схватится с цементным камнем. При последующих очистных работах произошло бы вымывание цементного раствора из зоны соединения стволов. Благодаря оставлению отклонителя 160 на месте, как указывалось выше, предотвращается поступление цементного раствора внутрь хвостовика 132, а также вымывание цементного раствора из области, окружающей соединение стволов в процессе очистки системы.
После вымывания из системы случайно попавшего в нее цементного раствора цементному раствору, заполнившему цементируемое пространство, дают затвердеть. После схватывания цементного раствора отклонитель 160 можно в любое время извлечь. В некоторых случаях его можно оставить на своем месте на время проведения последующих работ в скважине или даже при отсутствии каких-либо работ. В остальных случаях он немедленно извлекается после схватывания цементного раствора для повторного обеспечения доступа в основной ствол 110.
В случае принятия решения на извлечение отклонителя 160 из скважины он поднимается на поверхность одним из многочисленных способов подъема, известных в данной области техники. Благодаря наличию антиадгезионного покрытия, нанесенного на отклонитель до его использования и описанного выше, сцепление отклонителя 160 с цементным камнем отсутствует, что позволяет легко извлечь отклонитель из скважины. После извлечения отклонителя в скважину могут быть спущены другой отклонитель, направляющий инструмент в основной ствол, а также фрезерный инструмент или другой подходящий инструмент, тип которого зависит от типа используемой временной пробки 114. Фрезерный инструмент разбурит цементный камень, находящийся между окном 152 и временной пробкой 114 (а также саму пробку, если это предусмотрено), и если пробка подлежит извлечению, то с этой целью в скважину может быть спущен инструмент для извлечения пробки.
После этого обеспечен доступ в основной и боковой стволы, что позволяет зарезать другие боковые стволы, заканчивать скважину или проводить иные работы. Преимущество рассмотренного решения заключается в том, что соединение стволов оказывается полностью зацементированным. В этом состоянии уровень по TAML системы хвостовика с подвеской на крюке повышается до 4-го.
Выше изобретение было раскрыто на примере его предпочтительных вариантов, однако возможности его осуществления допускают внесение в эти варианты различных изменений, не изменяющих сущность изобретения и подпадающих под патентные притязания. Соответственно приведенное выше описание относится лишь к частному случаю осуществления изобретения и не ограничивает объем его правовой охраны.
1. Устройство для создания зацементированной системы соединения основного и бокового стволов скважины, содержащее трубчатый элемент с предварительно выполненным в нем окном, расположенную у окна заслонку и расположенный на заслонке антиадгезионный материал.
2. Устройство по п.1, в котором антиадгезионный материал расположен по меньшей мере на части поверхности заслонки, обращенной в среду, окружающую трубчатый элемент.
3. Устройство по п.1, в котором антиадгезионный материал образует слабое сцепление с заслонкой.
4. Устройство по п.3, в котором антиадгезионный материал является полисилоксаном.
5. Устройство по п.3, в котором антиадгезионный материал является эластомером.
6. Устройство по п.3, в котором антиадгезионный материал является полимером, отвержденным в воздушной среде.
7. Устройство по п.3, в котором антиадгезионный материал является полиуретаном.
8. Устройство по п.1, в котором антиадгезионный материал создает уплотнение между трубчатым элементом и заслонкой.
9. Устройство по п.1, в котором заслонка и трубчатый элемент сопряжены между собой посредством гидравлического уплотнения.
10. Устройство по п.9, в котором гидравлическое уплотнение образовано внутренней контактной поверхностью трубчатого элемента и уплотнительным элементом на наружной поверхности заслонки.
11. Устройство по п.10, в котором уплотнительный элемент является уплотнительным кольцом.
12. Устройство по п.1, в котором заслонка выполнена трубчатой формы.
13. Устройство по п.1, в котором заслонка является отклонителем.
14. Устройство по п.1, в котором трубчатый элемент является хвостовиком.
15. Устройство по п.1, в котором антиадгезионный материал расположен на всей поверхности заслонки, обращенной в среду, окружающую трубчатый элемент.
16. Способ строительства скважины, заключающийся в том, что в системе соединения основного и бокового стволов скважины устанавливают отклонитель, наносят на отклонитель антиадгезионный материал, вышеупомянутые элементы спускают в скважину, развертывают систему соединения стволов в окне выхода в боковой ствол и наносят на нее затвердевающее вещество.
17. Способ по п.16, в котором нанесение затвердевающего вещества представляет собой цементирование.
18. Способ по п.17, в котором цементировочные работы включают очистку системы от излишнего цементного раствора.
19. Способ по п.16, в котором цементному раствору дают затвердеть.
20. Способ по п.16, в котором отклонитель поднимают из скважины.
21. Способ по п.20, в котором подъем отклонителя проводят после затвердения цементного раствора.
22. Способ по п.20, в котором отклонитель при подъеме отделяют от цементного камня, нарушая сцепление на поверхности антиадгезионного материала.
23. Способ строительства скважины, заключающийся в том, что к спуску в скважину подготавливают трубчатый элемент с предварительно выполненным в нем окном, заслонку, расположенную таким образом, чтобы перекрывать окно в трубчатом элементе, и антиадгезионный материал, расположенный по меньшей мере на части поверхности заслонки, обращенной через окно в окружающую среду, устанавливают трубчатый элемент в скважине и в кольцевое пространство вокруг трубчатого элемента вводят затвердевающее вещество.
24. Способ по п.23, в котором после ввода затвердевающего вещества заслонку извлекают.
25. Способ по п.23, в котором затвердевающее вещество в твердом состоянии разбуривают через окно в трубчатом элементе.
26. Способ по п.23, в котором антиадгезионный материал покрывает всю поверхность заслонки, обращенную через окно в окружающую среду.
27. Способ по п.23, в котором затвердевающее вещество является цементным раствором.
28. Способ по п.23, в котором при установке трубчатого элемента его позиционируют и ориентируют.
29. Способ по п.28, в котором позиционирование и ориентирование трубчатого элемента выполняют путем посадки крюка, входящего в систему хвостовика с подвеской на крюке, в окне скважины.
