Устройство и способ для установки пробки и ликвидации скважины

Группа изобретений относится к области добычи углеводородов из буровых скважин, очистки скважин, а также их изоляции. Устройство для работы с проходящими через пласт скважинами, которые должны быть выведены из эксплуатации путем установки закрывающей пробки из отверждающегося материала, такого как бетон, и в которых имеется обсадная колонна, скрепленная бетоном со стенкой ствола скважины, содержит сборный узел, состоящий из трех следующих частей: ствола перфоратора, содержащего взрывные заряды, которые путем детонации образуют отверстия в колонне и далее снаружи в окружающем слое бетона; устройства для механической очистки внутренней стенки колонны у перфорированного участка; и промывающего устройства для разрыхления, растворения и вымывания затвердевшего цементного материала, находящегося между наружной стенкой колонны и стенкой ствола скважины. Обеспечивается уменьшение спуско-подъемных операций за счет выполнения перфорации, очистки и изоляции ствола скважины одним устройством. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Данное изобретение относится к устройству для работы с проходящими через пласт скважинами, которые должны быть выведены из эксплуатации путем установки закрывающей пробки из отверждаемого материала, такого как бетон, причем имеющаяся в скважине обсадная колонна скреплена бетоном со стенкой скважины, как указано в ограничительной части п.1 формулы изобретения.

Данное изобретение также относится к специальной конструкции стреляющего перфоратора, предназначенного для выполнения перфорационных отверстий в находящейся в пласте колонне и содержащего удлиненный ствол с несколькими зарядами взрывчатого вещества, расположенными по периферии и вдоль длины ствола, а также средство для детонации указанных зарядов.

Помимо этого, данное изобретение относится, как изложено в п.12 формулы изобретения, к способу закрытия скважины, содержащей проходящую через пласт обсадную колонну, в которой устанавливают пробку из отверждающегося материала. В соответствии с данным способом выполняют перфорирование части проходящей в скважине обсадной колонны и проводят отверждающийся материал через колонну с обеспечением его вытекания через перфорационные отверстия и контакта со стенками основного ствола скважины.

Данное изобретение относится к устройству, используемому при установке пробки в скважинах, которые должны быть выведены из эксплуатации.

При организации добычи углеводородов из месторождения в пористой углеводородосодержащей горной породе, в указанной породе пробуривают скважину, в которую устанавливают обсадную колонну (эксплуатационную колонну), и указанную колонну закрепляют и упрочняют относительно стенок основного ствола скважины, для чего вливают бетон между наружной стенкой колонны и стенкой ствола скважины.

При необходимости выведения из эксплуатации такой скважины ее полностью закупоривают бетонной пробкой так, чтобы в будущем не возникла опасность утечек. Закрытие такой скважины включает закачивание закупоривающего вещества, состоящего из отвергающегося бетона. Такая пробка должна соответствовать требованию, которое заключается в том, что закачиваемый бетон должен непосредственно контактировать с пористой породой.

Следовательно, эксплуатационную колонну (обсадную колонну) обычно перфорируют, очищают ее изнутри и впрыскивают в нее очищающую кислотную текучую среду для растворения бетона.

Для выполнения этой состоящей из трех этапов процедуры опускают перфорационное устройство, оснащенное несколькими взрывными зарядами направленного действия. При взрывании этих зарядов в указанной колонне образуется несколько отверстий для вымывания и частичного растворения исходного бетона, чтобы новый и свежий бетон мог должным образом непосредственно контактировать со скальной породой при установке пробки.

После срабатывания стреляющего перфоратора, как правило, очищают колонну изнутри, опуская очищающий инструмент, который счищает образовавшиеся после взрыва выступающие частицы металла и волокна с внутренней части колонны.

Указанный очищающий инструмент может представлять собой щетку, которая очищает, протирает или отшлифовывает колонну изнутри.

После шлифовки и очистки колонны опускают промывающий инструмент с верхним и нижним комплектами уплотнений, обеспечивающими уплотнение внутренней стенки колонны. Между этими комплектами уплотнений впрыскивают очищающую, обычно содержащую кислоту, текучую среду, которая может смывать разрыхленные кусочки бетона или, возможно, непосредственно растворять бетон химически. Эти кусочки бетона или остатки бетона затем вымываются с потоком текучей среды, направляемым вверх через кольцеобразное пространство между колонной, в которой с поверхности подвешен указанный инструмент, и внутренней частью обсадной колонны.

В отношении предшествующего уровня техники следует упомянуть заявки на патент США №2002/162657, №2007/163783, №2010/236781 и №2006/196693 и патенты США №5372198 и №6347673. Например, на фиг.4 указанной заявки №2002/162657 можно видеть, что ствол перфоратора может обеспечивать перфорирование колонны и закупоривание скважины бетоном путем комбинированной технологической операции.

Целью данного изобретения является усовершенствование известных технических решений с тем, чтобы все эти три операции могли быть выполнены одним и тем же устройством, т.е. без необходимости неоднократного извлечения эксплуатационной колонны или трубы на поверхность для смены инструмента для каждой операции при установке в скважине пробки.

Другая цель данного изобретения заключается в создании новой конструкции стреляющего перфоратора, который может улучшить вычищение бетона из кольцеобразного пространства между обсадной колонной и стенкой ствола скважины.

Устройство в соответствии с данным изобретением отличается тем, что оно содержит сборный узел, состоящий из следующих трех частей: ствола перфоратора, содержащего взрывные заряды, которые путем детонации образуют отверстия в колонне и далее снаружи в окружающем слое бетона, очищающего устройства для механической очистки внутренней стенки колонны у перфорированного участка и промывающего устройства для разрыхления, растворения и вымывания затвердевшего цементного материала, находящегося между наружной стенкой колонны и стенкой ствола скважины.

Указанный узел предпочтительно присоединен к концу эксплуатационной колонны или трубы, опущенной в скважину из оборудования, находящегося на поверхности.

Ствол перфоратора предпочтительно расположен в нижней части узла, промывающее устройство прикреплено к эксплуатационной колонне, а очищающее устройство помещено между указанным стволом и промывающим устройством.

Ствол перфоратора предпочтительно выполнен с возможностью его отсоединения от остальных частей узла после детонации/взрывания взрывных зарядов. Ствол перфоратора содержит взрывные заряды, расположенные вокруг и вдоль его периферии.

Взрывные заряды, соединенные со стволом перфоратора, предпочтительно выполнены с различной взрывной силой в различных секциях (A, B, C) указанного ствола. Как вариант, верхняя секция (A) стреляющего перфоратора/ствола перфоратора выполнена с взрывными зарядами, обладающими большей взрывной силой по сравнению с остальными зарядами.

Предпочтительные варианты выполнения указанного устройства в соответствии с данным изобретением характеризуются признаками, приведенными в пп.1-11 формулы изобретения.

Способ в соответствии с данным изобретением характеризуется тем, что используют состоящее из трех частей устройство, имеющее нижнюю часть, содержащую стреляющий перфоратор (32) для выполнения указанных перфорационных отверстий, среднюю очищающую часть (34) для очищения изнутри колонны (20), а также верхнюю промывающую часть (36) с очищающей текучей средой для промывания и растворения остатков бетона в пространстве между колонной (20) и стенкой ствола скважины. При этом последовательно выполняют следующие этапы:

a) устройство (10), присоединенное к эксплуатационной колонне (30), опускают в колонну до тех пор, пока стреляющий перфоратор (32) не займет положение, где должна быть выполнена перфорация колонны,

b) взрывные заряды (33) взрывают для образования перфорационных отверстий (35) в колонне,

c) устройство (10) проводят вверх и вниз в перфорированном участке для скобления-очищения внутренней стенки колонны с помощью очищающей части,

d) устройство (10) размещают так, что промывающая часть (36) расположена в колонне смежно с перфорированными отверстиями и так, что несколько перфорированных отверстий, расположенных по периферии, находятся выше промывающей части (36) и образуют проточное соединение кольцеобразного пространства между колонной (20) и стенкой скважины с кольцеобразным пространством (12) между эксплуатационной колонной (30),

e) впрыскивают промывочную текучую среду через перфорационные отверстия для разрыхления кусочков бетона и растворения бетона в пространстве снаружи колонны (20), с прохождением обратно через верхние перфорационные отверстия в колонну (20) выше промывающей части (36), и

f) извлекают указанное устройство и вводят отверждающийся материал для заполнения заданной секции колонны (20) и внутреннего пространства между наружной стороной колонны и стенкой ствола скважины, в результате чего при отверждении материала в скважине образуется пробка.

Предпочтительно используют устройство в соответствии с пп.1-11.

Далее приведено более подробное описание данного изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

фиг.1 иллюстрирует устройство в соответствии с данным изобретением и способ его установки в скважине и работы с платформы, расположенной на поверхности океана,

фиг.2, 3 и 4 показывают увеличенный вид в разрезе устройства, опущенного в скважину,

фиг.5 показывает увеличенный вид ствола перфоратора.

На фиг.1 показано устройство (10) в соответствии с данным изобретением, прикрепленное к колонне или трубе 30, проходящей через пласт 14 от установки 100, например платформы 100, расположенной на поверхности океана, или подобных им. Поверхность океана обозначена номером 18, а морское дно - номером 16. Конечно, конструкция в соответствии с данным изобретением может использоваться с установкой для разведочных работ на углеводороды, расположенной на суше.

Обсадная колонна (эксплуатационная колонна) (20) вставлена в ствол скважины или скважину и прикреплена бетоном 22 к стенкам ствола скважины.

Также показано предложенное устройство 10, которое состоит из трех частей, а именно стреляющего перфоратора 32, соскребающего/очищающего устройства 34 и промывающего устройства 36, показанных в направлении снизу вверх.

В соответствии с данным изобретением моющее/промывающее устройство 36 расположено в верхней части единого узла и присоединено в самой верхней части устройства 10 к нижнему концу трубы/колонны 30. Между трубой/колонной 30 и внутренней частью обсадной колонны 20 имеется кольцевое пространство 12, в которое можно вывести разрыхленные кусочки бетона и другие загрязняющие примеси при очищении/промывании.

Соскребающее/очищающее устройство 34 прикреплено непосредственно под промывающим устройством 36, а ниже него расположен стреляющий перфоратор 32. Таким образом, они образуют единое, состоящее из трех частей устройство, обладающее всеми указанными функциями.

Фиг.2 показывает увеличенный вид в разрезе устройства в соответствии с данным изобретением.

Стреляющий перфоратор 32

Стреляющий перфоратор 32 имеет ствол или корпус цилиндрической формы, проходящий вниз под соскребающим/очищающим устройством и по периферии которого рядами на его поверхности размещены специальные взрывные заряды/взрывчатые вещества 33 ранее известным способом, т.е. взрывная волна от зарядов проходит в горизонтальном или наклонном направлении радиально наружу к колонне, с образованием отверстий в стенке колонны. Взрывные заряды соединены с пусковым механизмом, например, с помощью запального шнура, который проходит от поверхности через трубу 30. Указанные заряды выполнены с возможностью одновременного взрывания и обращены радиально наружу, причем каждый из зарядов пробивает отверстие 35 в металле обсадной колонны 20 так, что образуется проточное соединение с бетоном снаружи колонны, направленное радиально наружу. Размер отдельных отверстий может быть отрегулирован с помощью взрывной силы отдельных зарядов 33.

Соскребающее/очищающее устройство 34

Соскребающее/очищающее устройство 34 содержит щетки, бороздки, острые скребковые ребра или выполнены с рифлением 37 на обращенной радиально наружу поверхности головки. Диаметр указанной головки соответствует внутреннему диаметру колонны 20. После детонации вокруг пробитых отверстий остаются остатки металла с острыми краями, проходящие от поверхности колонны. Щетки 37, которые могут содержать металлические щетинки, например, так называемые стальные щетки, разрыхляют и удаляют такие острые края. Очищающие щетки могут быть выполнены вокруг периферии так, что они могут быть втянуты радиально внутрь в конструкцию устройства, если не используются, а при необходимости очистки выдвинуты наружу для контакта с внутренней стенкой колонны. Для отведения от стенки или выдвигания к ней в соскабливающей части может быть установлен отдельный механизм, приводимый в действие, например, гидравлически.

Для регулирования указанного устройства для работы с обсадными колоннами 20 различных внутренних диаметров указанные щетки могут быть выполнены с возможностью выдвижения и втягивания в радиальном направлении. Щетки чистят внутреннюю стенку только при перемещении всего устройства вверх и вниз, как показано стрелкой P на фиг.2.

Моющее/промывающее устройство 36

Моющее/промывающее устройство 36 содержит два куполообразных сильфона 36a и 36b (например, выполненные из резины), которые прикреплены к колонне/трубе 30 на небольшом расстоянии друг от друга. Они образуют уплотнение с внутренней стенкой колонны 20 и между собой образуют кольцеобразное пространство 38 промывающего устройства. В этом кольцеобразном пространстве в трубе 30 выполнены отверстия 40, обеспечивающие впрыскивание в пространство 38 текучей среды (воды - кислоты), подаваемой под давлением с поверхности по трубе 30. Давление текучей среды в промежуточном кольцеобразном пространстве 38 увеличивается, и текучая среда выталкивается через пробитые перфорационные отверстия 35 и разрыхляет и вымывает кусочки бетона в кольцевое пространство 22, расположенное между обсадной колонной и стенкой ствола скважины.

Таким образом, это промывающее устройство 36 расположено наверху указанной конструкции и присоединено к расположенной выше трубе, при этом очищающее устройство 34 расположено под ним, а стреляющий перфоратор 32 расположен еще ниже, в конце указанного устройства.

Фиг.3 показывает первый этап указанного способа. Устройство 10, содержащее три части, устанавливают для взрывания зарядов. Выполняют взрывание, в результате чего в колонне образуются отверстия 35. Отверстия 35 проходят насквозь в колонне 20, при этом взрыв приводит к образованию некоторого количества проходящих радиально наружу отверстий в бетонном покрытии 22, которое необходимо разбить и по возможности удалить.

По завершении взрывания указанное устройство поднимают и опускают так, что щетки 37 устройства 34 могу очищать внутреннюю поверхность колонны у отверстий, показанных в нижней части фиг.3.

Фиг.4 иллюстрирует важную особенность данного изобретения. Стреляющий перфоратор 32 освобождают с помощью расцепляющего механизма, подробно не рассмотренного, от остальной части устройства, и он падает в скважину. После падения перфоратора 32 все устройство опускают дальше вниз, так чтобы промывающие устройство 36 находилось рядом с отверстиями 35.

На этом этапе начинается промывание, для чего воду/кислоту закачивают через трубу 30, как показано стрелками 42. Можно видеть, что нижняя часть устройства, т.е. та часть, которая находится выше стреляющего перфоратора, герметизирована пластиной 50 так, что очищающая текучая среда, подаваемая под давлением, выталкивается в кольцеобразное пространство 38. Кольцеобразное пространство 38 между двумя уплотняющими сильфонами 36a, 36b заполняется текучей средой под давлением, выталкивающим текучую среду через отверстия 35 наружу в бетонную часть, которую необходимо удалить. Кислота и вода будут способствовать растворению бетона химическим путем. Кроме того, выталкивание воды через отверстия приведет к разламыванию частей бетонного покрытия на меньшие и большие куски. Стрелками P1 показано дальнейшее прохождение текучей среды вверх и радиально обратно внутрь через отверстия/проемы, расположенные выше уплотняющих сильфонов. Затем промывающая текучая среда может быть проведена дальше вверх через кольцеобразное пространство 12 между трубой 30 и внутренней стенкой обсадной колонны.

После удаления большей части бетонного покрытия конструкция готова к подаче бетона для образования пробки в скважине. Этот бетон подают внутрь обсадной колонны, и затем бетон будет вытекать через отверстия, а также заполнять пространство между наружной стенкой обсадной трубы и стенками основного ствола скважины.

Предпочтительный вариант выполнения стреляющего перфоратора/ствола перфоратора.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения, показанным на фиг.5, стреляющий перфоратор в виде перфорационного ствола имеет секции со взрывными зарядами различной силы. Эти секции на фиг.5 обозначены символами A, B и C. Прежде всего заряды направленного действия предназначены для выполнения отверстия оптимального диаметра в обсадной трубе в скважине, а также для проникновения на некоторое расстояние в имеющееся бетонное покрытие, которое необходимо разрыхлить и смыть или растворить химически с помощью содержащейся в жидкости кислоты.

Благодаря увеличению силы взрывных зарядов в верхней и нижней секциях A и C по сравнению со средней секцией B отверстия в секциях A и C будут иметь диаметры большего размера и, соответственно, будут обеспечивать лучшее и большее циркуляционное действие и распределение давления промывочной текучей среды во время циркуляции. Противодавление при промывании будет уменьшаться, так что скорость нагнетания может быть увеличена. В соответствии со структурой потока, показанной стрелками P1 и P2 на фиг.4, кусочки разрыхленного бетона будут увлекаться вверх в зазор снаружи наружной стенки колонны для прохождения через верхние отверстия и обратно в кольцеобразное пространство 12 между трубой 12 и внутренней поверхностью обсадной колонны. Так как отверстия в верхней секции A имеют больший диаметр, чем отверстия в нижних секциях, разрыхленные кусочки бетона большего размера могут быть вычищены и увлечены потоком через отверстия у верхней части с обратным прохождением в кольцеобразное пространство 12 для дальнейшего удаления. Ствол перфоратора этого типа может иметь длину от 5 до 50 м и может быть разделен на секции A, B и C, как было упомянуто выше в контексте взрывной силы отдельных зарядов.

После взрывания зарядов в стреляющем перфораторе/стволе перфоратора предпочтительно отсоединить ствол перфоратора от остальной части устройства.

Герметизирующая пробка 150, показанная на фиг.1, может быть установлена в нижней части колонны и образует нижнюю часть колонны, которая теперь будет заполнена бетоном. Для этого нижнюю часть указанного устройства удаляют, бетон закачивают с поверхности в трубу 30 для заполнения, причем бетон вытекает в пространство ниже и снаружи указанного устройства. Бетон будет вытекать через перфорационные отверстия 35 и частично заполнять очищенное от бетона пространство между наружной стенкой колонны и скальной породой в стволе скважине. Таким образом образуется непосредственный контакт бетона с горной породой 14.

1. Устройство для работы в проходящей через пласт скважине, которая должна быть выведена из эксплуатации путем установки закрывающей пробки из отверждающегося материала, такого как бетон, причем в скважине имеется обсадная колонна, скрепленная бетоном со стенкой ствола скважины,
отличающееся тем, что оно содержит сборный узел (10), состоящий из трех частей:
ствола (32) перфоратора, содержащего взрывные заряды для образования отверстий в колонне и далее снаружи в окружающем слое бетона путем детонации,
очищающего устройства (34) для механической очистки внутренней стенки колонны у перфорированного участка, и
промывающего устройства (36) для впрыскивания текучей среды для разрыхления, растворения и вымывания затвердевшего цементного материала, находящегося между наружной стенкой колонны и стенкой ствола скважины.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ствол (32) перфоратора выполнен в виде концевого элемента (в нижней части) узла (10), промывающее устройство (36) присоединено к эксплуатационной колонне, а очищающее устройство (34) размещено между стволом (32) и промывающим устройством (36).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ствол (32) перфоратора выполнен с возможностью его отсоединения от остальных частей узла после детонации/взрывания взрывных зарядов.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ствол (32) перфоратора содержит взрывные заряды, расположенные вокруг и вдоль его периферии.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что взрывные заряды, соединенные со стволом (32) перфоратора, выполнены с различной взрывной силой в различных секциях (A, B, C) указанного ствола.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что верхняя секция (A) стреляющего перфоратора (32) / ствола (32) перфоратора выполнена с взрывными зарядами, обладающими большей взрывной силой по сравнению с остальными зарядами.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что верхняя секция (A) и нижняя секция (C) стреляющего перфоратора (32)/ствола (32) перфоратора выполнены с взрывными зарядами, обладающими большей взрывной силой по сравнению с зарядами в средней секции.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что очищающее устройство (34) содержит соскребающий элемент для механической очистки внутренней стенки колонны в перфорированном участке.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что очищающее устройство содержит щетки, например стальную щетку, имеет бороздки, острые скребковые ребра или рифление (35) на обращенной радиально наружу поверхности (35) головки очищающего устройства.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что промывающее устройство (36) выполнено с возможностью впрыскивания текучей среды для разрыхления, растворения и вымывания затвердевшей массы цемента между наружной стенкой колонны и стенкой ствола скважины.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно прикреплено к концу эксплуатационной колонны или трубы (30), опущенной в скважину из оборудования, находящегося на поверхности (100).

12. Способ закрытия скважины, содержащей проходящую через пласт обсадную колонну, в которой устанавливают пробку из отверждающегося материала, включающий перфорирование части проходящей через скважину обсадной колонны, пропускание отверждающегося материала через колонну, обеспечение вытекания отверждающегося материала через перфорационные отверстия и его контакта со стенками основного ствола скважины, отличающийся тем, что используют состоящее из трех частей устройство, имеющее нижнюю часть, содержащую стреляющий перфоратор (32) для выполнения указанных перфорационных отверстий, среднюю очищающую часть (34) для очищения изнутри колонны (20), а также верхнюю промывающую часть (36) с очищающей текучей средой для промывания и растворения остатков бетона в пространстве между колонной (20) и стенкой ствола скважины, при этом последовательно выполняют следующие этапы:
a) указанное устройство (10), присоединенное к эксплуатационной колонне (30), опускают в колонну до тех пор, пока стреляющий перфоратор (32) не займет положение, где должна быть выполнена перфорация колонны,
b) взрывные заряды (33) взрывают для образования перфорационных отверстий (35) в колонне,
c) указанное устройство (10) проводят вверх и вниз в перфорированном участке для скобления-очищения внутренней стенки колонны с помощью очищающей части,
d) указанное устройство (10) размещают так, что промывающая часть (36) расположена в колонне смежно с перфорированными отверстиями, и так, что несколько перфорированных отверстий, расположенных по периферии, находятся выше промывающей части (36) и образуют проточное соединение кольцеобразного пространства между колонной (20) и стенкой скважины с кольцеобразным пространством (12) между эксплуатационной колонной (30),
e) впрыскивают промывочную текучую среду через перфорационные отверстия для разрыхления кусочков бетона и растворения бетона в пространстве снаружи колонны (20), с прохождением текучей среды обратно через верхние перфорационные отверстия в колонну (20) выше промывающей части (36), и
f) извлекают указанное устройство и вводят отверждающийся материал для заполнения заданной секции колонны (20) и пространства между наружной стороной колонны и стенкой ствола скважины, в результате чего при отверждении материала в скважине образуется пробка.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что используют устройство, описанное в пп.1-11.