Способ и устройство для бурения нефтегазовых скважин

Группа изобретений относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначена для бурения скважин. Для осуществления способа спускают на средстве спуска лазерный бур в скважину по колонне бурильных труб. На лазерную головку подают импульсы лазерного луча от блока накачки. Бурение осуществляют дискретно после установки в колонну бурильных труб очередной бурильной трубы. В качестве средства спуска лазерного бура применяют колтюбинг. После выполнения очередного этапа бурения охлаждают забой, лазерную головку и колонну бурильных труб. Устанавливают следующую бурильную трубу и спускают колонну бурильных труб на длину установленной бурильной трубы. При этом устройство бурения нефтегазовых скважин содержит средство спуска лазерного бура в скважину в район продуктивного пласта. Лазерный бур содержит лазерную головку с объективом. Внутри колтюбинга с зазором проложено оптическое волокно. Блок накачки выполнен на поверхности. Лазерная головка и объектив выполнены охлаждаемыми за счет применения системы внутреннего охлаждения, системы защиты объектива и завесного охлаждения корпуса лазерного бура. Достигается технических результат – повышение мощности и надежности устройства. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Группа изобретений относится к нефтегазодобывающей промышленности, конкретно - к средствам бурения скважин.

Известен способ увеличения степени извлечения нефти или других ископаемых жидкостей из нефтяных пластов в земле или на море (SU, патент РФ 1838594 A3, кл. Е21В, 43/24, 43/25, 1993, Бюл. №32). В качестве устройства передачи энергии для последующего воздействия на нефтяной пласт используются электроды в двух соседних скважинах и ртуть, которой скважины предварительно заполняются до уровня залегания нефтяного пласта. Затем в нефтяном пласте создаются вибрации с помощью вибраторов с частотой, наиболее близкой к резонансной частоте пласта. Для этого производят вибрирование ртути с помощью вставленных в нее вибраторов и одновременно осуществляют электрическую стимуляцию процесса вибрации посредством приложения переменного электрического напряжения к электродам, расположенным в соседних скважинах. Резонансные вибрации в указанном месторождении будут распространяться наружу и выталкивать нефть из месторождения. Энергия вибраций будет также создавать тепло в месторождении в виде тепла трения между месторождением и находящейся в нем нефтью, и это будет создавать увеличение давления за счет испарения некоторой части нефти и воды.

К недостаткам данного способа можно отнести следующие:

- использование ртути в качестве жидких электродов очень опасно из-за ядовитых испарений и экологического загрязнения окружающей среды и подземных вод;

- необходимы большие площади соприкосновения вибрирующих поверхностей с нефтяным пластом, чтобы резонансные вибрации в месторождении распространялись наружу и выталкивали нефть и очень большие расходы энергии, что потребует больших финансовых затрат;

- эффективность извлечения нефти из месторождения данным способом будет незначительной.

Известен также способ увеличения извлечения нефти, газа и других полезных ископаемых из земных недр, вскрытия и контроля пластов месторождений (RU, патент 2104393 С1, МПК Е21В 43 24, 43/25, опубл. 1998.), Согласно этому изобретению на заданных участках скважин вскрывают продуктивные пласты путем разрезки или перфорирования материала обсадных колонн скважин мощным лазерным излучением с дальнейшим испарением через эти прорези твердых и жидких фаз веществ, входящих в состав пластов и вмещающих их горных пород, в качестве устройства для передачи энергии используют оптоволоконные кабели с рабочими головками на их концевых частях, излучающих световую энергию, подключают к оптическим волокнам (световодам) оптоволоконных кабелей мощные лазеры на поверхности и создают в пластах области с заданной высокой температурой и высоким внутрипластовым давлением для увеличения степени извлечения нефти и газа и перемещают эти области во внутрипластовых пространствах путем перемещения излучающих концевых частей оптоволоконных кабелей с рабочими головками по скважинам, процесс обработки пластов месторождений мощным лазерным излучением повторяют многократно через необходимые временные интервалы с одновременным излучением в нескольких взаимно смещенных на определенный угол по отношению к друг другу секторах с расхождением лучей в каждом секторе на определенный угол, одновременно осуществляют по специальным оптоволокнам бесконтактный и дистанционный контроль создаваемых в пластах значений температур, давлений, размеров и форм образованных в пластах и породах полостей, их смыкание, получают информацию о составе испаряемых веществ пластов и пород.

К недостаткам способа можно отнести следующие:

- невозможно осуществлять комплексную разработку месторождений и использовать мощное лазерное излучение не только для обработки внутрипластовых пространств и увеличения добычи нефти и газа, но и бурить с его использованием скважины с поверхности, вскрывающие нефтегазовые, сланцевые, угольные и другие пласты с полезными ископаемыми;

- низкая эффективность и производительность обработок внутрипластовых пространств мощным лазерным излучением и повышения внутрипластовых давлений и температур через отверстия перфорации и прорези в обсадных металлических трубах, которыми закреплены добывающие скважины, из-за небольших площадей обработки излучением внутрипластовых пространств;

- невозможность существенного расширения диаметров закрепленных трубами скважин во внутрипластовых пространствах для увеличения площадей притоков и улучшения фильтрации из пластов нефти и газов в скважины;

- повышаются затраты на добычу нефти и газов, сопровождающиеся значительными потерями времени для введения скважин в работу по добыче, в связи с необходимостью привлечения других вспомогательных способов для раскачки скважин и очистки призабойных пространств пластов от глубоко проникших буровых и цементных растворов с образованием непроницаемых корок в пластах после бурения скважин с использованием обсадных труб.

Известны способ и устройство для бурения скважин по патенту РФ на изобретение №2509882, МПК Е21В 47/00, опубл. 20.03.2014 г., прототип способа и устройства..

Этот способ включает спуск на средстве спуска в скважину по колоне бурильных труб, состоящую из бурильных труб лазерной головки с объективом и подачу на нее импульсов лазерного луча от блока накачки, расположенного на поверхности

Это устройство содержит средство спуска в скважину в район продуктивного пласта лазерного бура с лазерным излучателем и с объективом

Недостатки этих способа и устройства низкая надежность из-за недостаточно эффективной системы охлаждения лазерного излучателя и объектива и малая мощность лазерного излучателя.

Задачи создания группы изобретений: повышение мощности устройства и повышение надежности устройства за счет эффективного его охлаждения,

Достигнутые технические результаты:

- повышение мощности устройства,

- повышение надежности устройства,

Решение указанных задач достигнуто в способе бурения нефтегазовых скважин, включающем спуск на средстве спуска лазерного бура в скважину по колоне бурильных труб, состоящей из бурильных труб, лазерной головки с объективом и подачу на нее импульсов лазерного луча от блока накачки, расположенного на поверхности, тем, что бурение осуществляют дискретно после установки в колонну бурильных труб очередной бурильной трубы, в качестве средства спуска лазерного бура применен колтюбинг, внутри которого с зазором проложено оптическое волокно, объектив выполнен охлаждаемыми за счет применения систем внутреннего и внешнего охлаждения, после выполнения очередного этапа бурения охлаждают забой, лазерную головку и колонну бурильных труб и устанавливают следующую бурильную трубу и спускают колонну бурильных труб на длину установленной бурильной трубы.

Решение указанных задач достигнуто в устройстве бурения нефтегазовых скважин, содержащем средство спуска лазерного бура в скважину в район продуктивного пласта содержащего лазерную головку с объективом, тем, что в качестве средства спуска лазерного бура применен колтюбинг, внутри которого с зазором проложено оптическое волокно, а блок накачки выполнен на поверхности, при этом лазерная головка и объектив выполнены охлаждаемыми за счет применения системы внутреннего охлаждения, системы защиты объектива и завесного охлаждения корпуса лазерного бура.

Система внутреннего охлаждения может быть выполнена в виде насоса, установленного на поверхности, выход из которого напорным трубопроводом соединен через первый клапан с кольцевым зазором между колтюбином и оптическим волокном и вторым - с внутренней полостью колонны бурильных труб, при этом внутренняя полость колонны бурильных труб через второй клапан соединена с приемной емкостью.

Система защиты объектива может содержать торцовой кольцевой щит, установленный с зазором на нижнем торце корпуса концентрично объективу, отверстия охлаждения в корпусе выходят в зазор охлаждения торца.

Система завесного охлаждения корпуса лазерного бура может содержать кольцевой щит, отверстия завесы в корпусе и зазор между корпусом и кольцевым щитом.

Отверстия завесы могут быть выполнены радиальными.

Отверстия завесы могут быть выполнены тангенциально.

Отверстия завесы могут быть выполнены под углом к оси лазерного бура.

Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1-8, где:

- на фиг. 1 приведена схема бурения лазером,

- на фиг. 2 приведен лазерный бур,

- на фиг. 3 приведен вид А на фиг. 2,

- на фиг. 4 приведен основной вид системы завесного охлаждения корпуса лазерного бура, вид В,

- на фиг. 5 приведен вид С, первый вариант,

- на фиг. 6 приведен вид С, второй вариант,

- на фиг. 7 приведен основной вид схемы защиты объектива,

- на фиг. 8 приведен вид С, третий вариант.

Обозначения, принятые в описании:

скважина 1,

колонна бурильных труб 2,

поверхность 3,

грунт 4,

забой 5,

бурильная труба 6.

муфта 7,

район продуктивного пласта 8,

внутренняя полость 9,

лазерный бур 10,

корпус 11,

центратор 12,

полость 13,

лазерная головка 14,

объектив 15,

средство спуска лазерного бура 16,

колтюбинг 17,

оптическое волокно 18,

кольцевой зазор 19.

катушка 20,

блок накачки 21,

измеритель длины колтюбинга 22,

первый напорный трубопровод 23,

первый клапан 24,

насос 25,

внешний кольцевой зазор 26,

второй напорный трубопровод 27,

второй клапан 28,

отводящий трубопровод 29,

отсечной клапан 30,

приемная емкость 31,

трубопровод сброса газообразной фазы 32,

блок управления 33,

электрические провода 34,

электрические связи 35,

нижний торец 36,

верхний торец 37,

патрубок 38,

уплотнительный узел 39,

нижний кольцевой щит 40,

зазор охлаждения 41,

отверстия для охлаждения 42,

кольцевой щит 43,

отверстия завесы 44,

зазор 45,

сварочный шов 46.

Предложенное устройство (фиг. 1) предназначено для бурения скважины 1. Оно содержит колонну бурильных труб (КБТ) 2, проходящую внутри скважины 1 между поверхностью 3 грунта 4 и забоем 5. Колонна бурильных труб 2 состоит из бурильных труб 6, соединенных муфтами 7. Скважина 1 может быть горизонтальной.

Задача создания предложенных устройства и способа: выполнить бурение до района продуктивного пласта 8.

Для этого во внутренней полости 9 колонны бурильных труб 2 установлен лазерный бур 10. Лазерный бур 10 содержит корпус 11 с центратором 12 и полостью 13, в которой установлен лазерный излучатель 14 с объективом 15. К лазерному буру 10 присоединено средство спуска лазерного бура 16 в скважину 1.

В качестве средства спуска лазерного бура 16 применен колтюбинг 17 с оптическим волокном 18, проложенным внутри него с кольцевым зазором 19. Колтюбинг 17 предварительно намотан на катушку 20.

К оптическому волокну 18 на поверхности 3 присоединен блок накачки 21.

На колтюбинге 17 установлен измеритель длины колтюбинга 22. К зазору 19 подсоединен первый напорный трубопровод 23 с первым клапаном 24, другой конец которого соединен с выходом из насоса 25. Привод насоса не показан.

К внешнему кольцевому зазору 26 (между колонной бурильных труб 2 и колтюбингом 17) присоединен выход второго напорного трубопровода 27 с вторым клапаном 28.

Также к внешнему кольцевому зазору 26 присоединен вход отводящего трубопровода 29, содержащий отсечной капан 30, выход которого соединен с приемной емкостью 31. К приемной емкости 31 присоединен трубопровод сброса газообразной фазы 32.

Устройство оборудовано блоком управления 33, к которому присоединены электрические провода 34 и линии связи 35. Электрические провода 34 присоединены и к блоку накачки 21.

Более детально конструкция лазерного бура 10 приведена на фиг. 2.

Лазерный бур 10 (фиг. 2) содержит корпус 11 с центратором 12. Внутри выполнена полость 13. На нижнем торце выполнен лазерный излучатель 14 с объективом 15. Объектив 15 выполнен на нижнем торце 36 корпуса 11.

Корпус 11 имеет верхний торец 37.

К верхнему торцу 37 присоединен патрубок 38, к которому присоединено средство спуска лазерного бура 16 в скважину 1. Средство спуска лазерного бура 16 содержит уплотнительный узел 39, который может быть выполнен в виде конусной гайки и предназначен для фиксации и уплотнения колтюбинга 18 в корпусе 11.

Для защиты от перегрева лазерной головки 14 предусмотрено три системы охлаждения: система внутреннего охлаждения, система завесного охлаждения корпуса 11 и система защиты объектива 15.

Система защиты объектива 15 содержит нижний кольцевой щит 40, установленный около нижнего торца 36 корпуса 11 концентрично объективу 15 и с зазором 41. Радиальные отверстия 42 в корпусе 11 выходят в зазор охлаждения 41 для подачи охлаждающей воды для защиты объектива 15 от перегрева и от брызг расплавленного грунта.

На фиг. 3…6 и 8 приведена конструкция завесного охлаждения корпуса 11 лазерного бура 10. Система завесного охлаждения корпуса 11 содержит кольцевой щит 43, отверстия завесы 44 в корпусе 11 и зазор 45 между корпусом 11 и кольцевым щитом 43, прикрепленным к корпусу 11 сварочным швом 46 (фиг. 4).

Устройство работает следующим образом

На буровую привозят комплект оборудования (фиг. 1) в том числе лазерный бур 10, катушку 20 с колтюбингом 17 и с оптическим волокном 18. Подсоединяют средство спуска лазерного бура 16 в скважину 1 к лазерному буру 10. Опускают лазерный бур 10 до района продуктивного пласта 8.

Включают насос 25 и воду по первому напорному трубопроводу 23 через первый клапан 24 подают кольцевой зазор 19 между колтюбингом 17 и оптическим волокном 18. Далее воду подают в полость 13 корпуса 11 лазерного бура 10 (фиг. 2). Из полости 13 вода выходит через радиальные отверстия 42 в зазор охлаждения 41 под нижним кольцевым щитом (щитами) 40, образуя завесу охлаждения для защиты объектива 15 (фиг. 2 и 3). Таким образом, вода охлаждает оптическое волокно 18, лазерную головку 14 и объектив 15.

Лазерное излучение генерирует блок накачки 21, от которого луч лазера передается по оптическому волокну 18 к лазерному излучателю 14. Лазерный луч прорезает отверстия в грунте 4 в области забоя 5 (фиг. 1). При этом испарившаяся вода, которая используется для охлаждения объектива 15 по забою 5 выходит по отводящему трубопроводу 29, имеющему отсечной клапан 30, в приемную емкость 31. Газообразная фаза отводится через трубопровод сброса газообразной фазы 32 в атмосферу.

После того, как только измеритель длины колтюбинга 22 покажет, что лазерный бур 10 опустился на расстояние, соответствующее длине одной бурильной трубы 6 отключают блок накачки 21 и прекращают подачу лазерного луча по оптическому волокну 18 к лазерному буру 10.

Потом открывают второй клапан 28 и воду подают в скважину 1 снаружи колонны бурильных труб 2. Образовавшийся пар выходит по отводящему трубопроводу 29 через открытый отсечной клапан 30 и через трубопровод сброса газообразной фазы 32 в атмосферу. Когда приемная емкость 31 начнет заполняться жидкой фракцией процесс охлаждения забоя 5 прекращают и закрывают сначала второй клапан 28, потом отсечной клапан 30.

Вынимают лазерный бур 10 на поверхность 3. При необходимости делают его профилактику. К колонне бурильных труб 2 присоединяют очередную бурильную трубу 6 и всю колонну бурильных труб 2 опускают на длину одной бурильной трубы 6.

Цикл бурения лучом лазера повторяют, при этом глубина пробуренной скважины увеличивается на длину бурильной трубы 6.

Расположение блока накачки 21 на поверхности 3 (фиг. 1) позволит сделать его любой мощности, которую может передать оптическое волокно 18.

Применение трех систем охлаждение и периодическая профилактика лазерного бура после каждого «рейса» повысит надежность устройства лазерного бурения.

Применение группы изобретений позволило:

- повысить мощность устройства за счет расположения блока накачки на поверхности,

- повысить надежность устройства за счет снижения рабочих температур всех систем и узлов устройства путем применения трех систем охлаждения и периодической профилактики оборудования.

1. Способ бурения нефтегазовых скважин, включающий спуск на средстве спуска лазерного бура в скважину по колоне бурильных труб, состоящей из бурильных труб, лазерной головки с объективом и подачу на нее импульсов лазерного луча от блока накачки, расположенного на поверхности, отличающийся тем, что бурение осуществляют дискретно после установки в колонну бурильных труб очередной бурильной трубы, в качестве средства спуска лазерного бура применен колтюбинг, внутри которого с зазором проложено оптическое волокно, объектив выполнен охлаждаемыми за счет применения систем внутреннего и внешнего охлаждения, после выполнения очередного этапа бурения охлаждают забой, лазерную головку и колонну бурильных труб и устанавливают следующую бурильную трубу и спускают колонну бурильных труб на длину установленной бурильной трубы.

2. Устройство бурения нефтегазовых скважин, содержащее средство спуска лазерного бура в скважину в район продуктивного пласта, содержащего лазерную головку с объективом, отличающееся тем, что в качестве средства спуска лазерного бура применен колтюбинг, внутри которого с зазором проложено оптическое волокно, а блок накачки выполнен на поверхности, при этом лазерная головка и объектив выполнены охлаждаемыми за счет применения системы внутреннего охлаждения, системы защиты объектива и завесного охлаждения корпуса лазерного бура.

3. Устройство бурения нефтегазовых скважин по п. 2, отличающееся тем, что система внутреннего охлаждения выполнена в виде насоса, установленного на поверхности, выход из которого напорным трубопроводом соединен через первый клапан с кольцевым зазором между колтюбином и оптическим волокном и вторым - с внутренней полостью колонны бурильных труб, при этом внутренняя полость колонны бурильных труб через второй клапан соединена с приемной емкостью.

4. Устройство бурения нефтегазовых скважин по п. 3, отличающееся тем, что система защиты объектива содержит торцовой кольцевой щит, установленный с зазором на нижнем торце корпуса концентрично объективу, отверстия охлаждения в корпусе выходят в зазор охлаждения торца.

5. Устройство бурения нефтегазовых скважин по п. 3, отличающееся тем, что система завесного охлаждения корпуса лазерного бура содержит кольцевой щит, отверстия завесы в корпусе и зазор между корпусом и кольцевым щитом.

6. Устройство бурения нефтегазовых скважин по п. 5, отличающееся тем, что отверстия завесы выполнены радиальными.

7. Устройство бурения нефтегазовых скважин по п. 5, отличающееся тем, что отверстия завесы выполнены тангенциально.

8. Устройство бурения нефтегазовых скважин по п. 5, отличающееся тем, что отверстия завесы выполнены под углом к оси лазерного бура.