Способ крепления пробуренного участка скважины обсадной трубой и устройство для его осуществления - RU2456436C2

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к способу крепления обсадными трубами пробуренной (цилиндрической) скважины, в частности, нефтедобывающей или газодобывающей, а также к устройству для осуществления этого способа.

В частности, но неограничительно изобретение может быть использовано для крепления обсадной трубой уже пробуренного участка скважины, в котором возникает необходимость дальнейшего бурения после установки обсадной трубы, предназначенной для герметизации уже пробуренного участка, стенка которого подвержена растрескиванию.

Бурение скважины обычно производят при помощи вращающегося инструмента, такого как долото, установленного на конце буровой трубы и управляемого с поверхности. Операцию производят в присутствии бурового раствора, который постоянно возвращают внутрь скважины. Буровой раствор является текучей средой, как правило, на основе воды или масла. Одной из его функций является создание гидростатического противодавления, которое противостоит напору текучих сред, находящихся вокруг стенки скважины, чтобы стабилизировать грунт и снизить тем самым риск обрушения. Буровой раствор нагнетают в конец буровой трубы под долото, и он поднимается на поверхность вместе с буровым шламом. Таким образом, другой функцией этого раствора является удаление этого бурового шлама. На поверхности раствор отстаивают, чтобы удалить из него буровой шлам, затем опять нагнетают в скважину. Присутствие бурового раствора и его подъем позволяют также отслеживать неполадки, которые могут возникнуть во время бурения (например, прорыв газового кармана), что позволяет включать системы безопасности на месте, например, чтобы перекрыть выход из скважины.

Одной из трудностей, которые могут возникнуть в ходе бурения, является потеря бурового раствора при его циркуляции. Это проблема возникает, в частности, когда скважина проходит через участок очень рыхлой породы, содержащий разрывы, трещины или другие каналы, ведущие в проходы большой емкости.

В этом случае вместо того, чтобы подниматься на поверхность, буровой раствор уходит в эти проходы, и дополнительной подачи раствора может оказаться недостаточно, чтобы компенсировать утечки.

Попытки закупоривания этих трещин, которые обычно основаны на изменении состава и/или гранулометрии бурового раствора, в случае необходимости, с добавлением различных гранулятов, часто оказываются безуспешными.

Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков за счет разработки способа и устройства, позволяющих легко и с минимальными затратами изолировать по меньшей мере одну зону с трещинами, встретившуюся в ходе бурения, чтобы устранить потери и обеспечить дальнейшее продолжение бурения с удовлетворительной циркуляцией бурового раствора.

Таким образом, объектом настоящего изобретения является способ крепления обсадной трубой пробуренного участка скважины, в частности нефтедобывающей или газодобывающей.

Согласно изобретению для этой цели используют цилиндрическую трубу диаметром, немного меньшим диаметра скважины, по меньшей мере верхняя часть которой является пластичной с возможностью расширения в радиальном направлении, при этом трубу оборудуют в ее основании уплотнительной прокладкой, которая тоже имеет возможность расширения в радиальном направлении под действием собственного веса трубы, причем длина трубы меньше длины пробуренного участка скважины, но достаточна для того, чтобы верхняя ее часть оказалась над нарушенной зоной, когда основание трубы приходит в положение опоры на забой пробуренного участка скважины, при этом производят следующие действия:

- трубу вводят в осевом направлении в пробуренный участок скважины таким образом, чтобы ее основание пришло в положение опоры на забой пробуренного участка скважины и привело к радиальному расширению уплотнительной прокладки, заставляя ее по существу герметично прижаться к окружающей стенке скважины;

- при помощи инструмента-расширителя производят радиальное расширение верхней части трубы с превышением ее предела упругости так, чтобы эта часть трубы плотно прижалась к окружающей стенке скважины на уровне, находящемся над нарушенной зоной.

В результате получают обсадную трубу, внутреннее пространство которой идеально изолировано от нарушенной зоны с одной стороны за счет прижатия верхней расширенной части трубы к стенке скважины, а с другой стороны - за счет прижатия уплотнительной прокладки, охватывающей нижнюю часть трубы.

Предпочтительно радиальное расширение верхней части трубы производят при помощи инструмента-расширителя в виде накачиваемой камеры.

Предпочтительно это расширение производят пошагово.

Предпочтительно это расширение производят постепенно снизу вверх.

Предпочтительно в начале операции инструмент-расширитель соединяют с трубой и весь узел опускают в скважину до тех пор, пока труба не дойдет до забоя скважины, после чего его отсоединяют от трубы, чтобы осуществить радиальное расширение верхней части трубы.

Устройство, предназначенное для осуществления этого способа, содержит:

- цилиндрическую трубу диаметром, немного меньшим диаметра скважины, по меньшей мере верхняя часть которой является пластичной и имеет возможность расширения в радиальном направлении, при этом труба в своем основании оборудована уплотнительной прокладкой, имеющей возможность расширения в радиальном направлении под действием собственного веса трубы, причем длина трубы меньше длины пробуренного участка скважины, но достаточна для того, чтобы указанная верхняя часть трубы оказалась над нарушенной зоной, когда основание трубы опирается на забой пробуренного участка скважины;

- инструмент-расширитель, управляемый с поверхности и выполненный с возможностью радиального расширения верхней части трубы с превышением ее предела упругости так, чтобы плотно прижать эту верхнюю часть к окружающей ее стенке скважины.

Предпочтительно инструмент-расширитель и труба снабжены сопряженными средствами соединения, позволяющими объединять их с образованием узла, элементы которого могут легко отделяться друг от друга.

Предпочтительно указанные элементы соединены путем свинчивания.

Предпочтительно инструмент-расширитель на своем нижнем конце содержит резьбой элемент, выполненный с возможностью завинчивания в кольцо с внутренней резьбой, расположенное внутри трубы в основании верхней пластичной, и радиально расширяемой части этой трубы.

Предпочтительно указанная уплотнительная прокладка выполнена в виде податливого упругодеформируемого кольцевого элемента.

Предпочтительно нижний концевой участок трубы содержит два телескопических трубчатых элемента, между которыми расположена указанная прокладка, так что относительное перемещение по направлению друг к другу этих двух трубчатых элементов приводит к радиальному расширению указанной прокладки.

Предпочтительно пластичная и радиально расширяемая верхняя часть трубы охвачена по меньшей мере одним кольцевым уплотнением.

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из дальнейшего описания предпочтительного варианта его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 показан вариант выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением; для удобства в левой части фигуры показана верхняя часть (со стороны поверхности) устройства, а в правой части - его нижняя часть (со стороны забоя), причем эти две соосных части сопрягаются на уровне точек, обозначенных А1 и А2 (соединены пунктирной линией, символизирующей их непрерывность), вид в осевом разрезе;

на фиг.1А показана часть устройства, изображенного на фиг.1 в правой части, в положении расширения уплотнительной прокладки, охватывающей основание трубы;

на фиг.2 показана частично пробуренная вертикальная цилиндрическая скважина с нарушенной (нарушенными) зоной (зонами), которую (которые) необходимо укрепить обсадной трубой в соответствии с настоящим изобретением, вид в осевом разрезе;

на фиг.3-7 схематично показаны основные этапы крепления обсадной трубой скважины, изображенной на фиг.2, при помощи устройства, изображенного на фиг.1.

Устройство, изображенное на фиг.1, содержит по существу цилиндрическую трубу 1 большой длины. Обычно она состоит из трубчатых секций, скрепленных встык и соосно, например, путем свинчивания этих секций между собой.

Длина трубы 1 и ее диаметр соответствуют длине и диаметру укрепляемой скважины.

Материал трубы 1 и толщину ее стенки выбирают таким образом, чтобы обеспечить возможность ее радиального расширения в области пластической деформации (то есть за пределами зоны упругости) под действием внутреннего давления, в частности, создаваемого гидравлически накачиваемой камерой, например, описанной в документе FR 2901837 А.

Труба выполнена из нержавеющей относительно пластичной стали, и толщина ее стенки составляет примерно от 3 до 7 мм.

На фиг.1 позицией 10 обозначена центральная часть трубы 1, позицией 11 - ее верхняя концевая часть, а позицией 13 - ее нижняя концевая часть.

В основании верхней части 11 трубы расположен внутренний поясок 12, содержащий внутреннюю резьбу.

Диаметр верхней концевой части 11 трубы и нижней концевой части 13 трубы слегка превышает диаметр ее центральной части. Кроме того, предпочтительно стенка верхней концевой части 11 является более тонкой, чем стенка центральной части, что обеспечивает возможность ее радиального расширения.

Основание трубы 1 оборудовано трубчатой телескопической втулкой 7, вставленной в нижнюю концевую часть 13 с возможностью перемещения в осевом направлении. Между этими элементами с внешней стороны установлена кольцевая уплотнительная прокладка 2 из податливого, несжимаемого и упругого материала типа резины. Прокладка 2 установлена с возможностью радиального расширения за счет заклинивания между находящимися друг напротив друга скошенными кромками 70 и 14 втулки 7 и части 13 соответственно, когда эти элементы приближаются друг к другу. При этом прокладка образует кольцевой валик.

Это явление легко понять при рассмотрении фиг.1А, на которой стрелки i показывают осевое перемещение втулки 7 внутри трубы 1, при этом кольцевой валик обозначен позицией 2'.

Верхняя концевая часть 11 охвачена рядом податливых и упругодеформирующихся колец 6 (предпочтительно равноудаленных), которые, как будет показано ниже, тоже образуют герметичные уплотнения.

На фиг.1 позицией 3 обозначен заранее собранный единый узел, содержащий инструмент-расширитель 5, средство 4 соединения и трубу 1.

Инструмент-расширитель 5 представляет собой радиально расширяющуюся накачиваемую гидравлическую камеру известного типа (например, по FR 2901837 А), которую соединяют с устьем скважины через осевую штангу 30а управления большой длины.

К инструменту 5 через участок 30b штанги небольшой длины соосно присоединено средство 4 соединения. Средство 4 соединения содержит стенку 40 с резьбой, выполненную с возможностью завинчивания в вышеупомянутый поясок 12.

Путем соответствующих манипуляций штангой 30а можно перемещать узел 3 в скважине в осевом направлении, поворачивать инструмент 5 и жестко связанное с ним средство 4 соединения вокруг их общей оси. Штанга 30а предпочтительно имеет трубчатую форму и содержит соответствующие каналы для гидравлического накачивания камеры 5 и сброса давления в ней.

На фиг.2 в осевом разрезе показана вертикальная скважина с цилиндрической стенкой Р и плоским забоем F, пробуренная в массиве Т, содержащем предназначенную для разработки залежь углеводородов.

Скважина проходит через по меньшей мере одну проницаемую зону или нарушенную зону ZF, стенка которой содержит разрывы, трещины или аналогичные каналы, которые являются причиной потери бурового раствора при циркуляции по причинам, изложенным выше.

Чтобы иметь возможность продолжать нормальное бурение, согласно изобретению устанавливают обсадную трубу для изоляции зоны ZF при помощи описанного ниже способа.

Предположим, например, что диаметр скважины составляет примерно 300 мм, а необходимая длина обсадной трубы для изоляции зоны или зон ZF равна примерно 400 м.

Используют, например, стальную трубу, длина центральной части 10 которой составляет 400 м, наружный диаметр - 244 мм, а толщина стенки - 6 мм.

Верхняя концевая часть 11 трубы имеет длину 4 м, наружный диаметр - 250 мм, а толщину стенки - 4 мм.

Накачиваемая камера 5 имеет длину 1 м и диаметр 200 мм в ненакачанном состоянии.

Способ осуществляют следующим образом.

В состоянии, когда средство 4 соединено завинчиванием с пояском 12 и камера 5 не накачана, весь узел 3 опускают в осевом направлении внутрь скважины при помощи штанги 30а (стрелка D1 на фиг.3), пока нижняя часть 13 трубы не дойдет до плоского забоя.

Вес трубы является относительно большим, порядка 140000 Н, поэтому, когда она приходит в положение опоры на забой F (стрелки D2, фиг.4), происходит радиальное расширение прокладки 2 (стрелки Q), как было пояснено выше со ссылками на фиг.1.

Первоначальный диаметр этой прокладки и степень ее расширения при данной нагрузке выбирают таким образом, чтобы она плотно прижалась к окружающей стенке Р скважины и чтобы наружное пространство между основанием трубы 1 и скважиной оказалось герметично закрытым.

Благодаря этому герметизация основания трубы происходит исключительно просто и естественным образом и не требует гидравлического или другого соединения с поверхностью скважины.

После этого средство 4 соединения отвинчивают, отсоединяя его от пояска 12 и, следовательно, от трубы 1 (стрелки R и M1 на фиг.5).

Предпочтительно резьба средства соединения выполнена с левым шагом, чтобы отвинчивание происходило за счет приведения в движение штанги 30 в обычном направлении при помощи стандартных приводных средств, установленных в устье скважины.

В конце отвинчивания осевое положение инструмента-расширителя 5 оказывается четко зафиксированным; инструмент находится точно в основании предназначенного для расширения верхней концевой части 11.

Благодаря этому дальнейший ход операции полностью контролируется.

Расширение можно начать путем гидравлического накачивания камеры, образующей инструмент 5.

Жидкость, применяемую для накачивания, подают в инструмент 5 через штангу 30а с давлением, достаточным для того, чтобы радиальное расширение его оболочки толкало окружающую стенку трубы наружу с превышением предела ее упругой деформации, плотно прижимая ее к стенке Р скважины (стрелки G на фиг.6).

После этого давление в камере 5 сбрасывают (стрелки Н), и инструмент поднимают на один шаг (стрелка М2).

Этот процесс, представляющий собой чередование фаз накачивания, сброса давления и поступательного перемещения снизу вверх, повторяют, чтобы постепенно расширить верхнюю часть 11 трубы по всей длине этой части, после чего инструмент извлекают (стрелка J на фиг.7).

Таким образом, промежуток между трубой 1 и стенкой Р скважины оказывается закупоренным по всей длине расширенной верхней части трубы 1. Герметичность на этом уровне обеспечивается или улучшается за счет наличия кольцевых уплотнений 6, зажимаемых между наружной поверхностью трубы и стенкой скважины, что позволяет компенсировать неизбежные неровности поверхности этой стенки.

В конечном счете получают крепление обсадной трубой, которая полностью изолирует зону ZF от внутреннего пространства трубы 1.

После этого можно продолжить бурение в забое F с применением бурового раствора внутри обсадной трубы, что решает проблему потерь при циркуляции.

Следует отметить, что герметичное уплотнение, расположенное в основании трубы, можно выполнять в других вариантах, отличных от настоящего варианта выполнения устройства.

Главное, чтобы оно деформировалось, автоматически обеспечивая герметизацию между стенкой скважины и основанием трубы, под действием веса трубы, когда она опирается на забой скважины.

Кроме того, для расширения верхней части 11 трубы можно применять другие известные способы расширения, отличные от описанных в настоящей заявке, например, в ограниченных зонах, отстоящих друг от друга (то есть частично), непрерывно и/или при помощи механического инструмента-расширителя с нажимными роликами.

Естественно, различные используемые материалы, в частности, для трубы 1 и герметичных уплотнений 2 и 6 должны в течение длительного времени противостоять различным физическим и химическим воздействиям (жара, давление, коррозия и т.д.), которым они подвергаются во время установки и в ходе будущей эксплуатации скважины.

Реферат

Группа изобретений относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности, может быть использована для герметизации пробуренного участка скважины. При осуществлении способа используют цилиндрическую трубу, содержащую пластичную и радиально расширяемую верхнюю часть и оборудованную в своем основании уплотнительной прокладкой, которая тоже может расширяться в радиальном направлении под действием веса трубы. Размеры этой трубы определяют таким образом, чтобы верхний участок оказался над нарушенной зоной, когда основание трубы опирается на забой пробуренного участка скважины. При осуществлении способа трубу вводят в скважину таким образом, чтобы ее основание пришло в положение опоры на забой и привело к радиальному расширению герметичного уплотнения, при помощи инструмента-расширителя производят радиальное расширение верхнего участка трубы с превышением его предела упругости, чтобы плотно прижать его к стенке скважины над нарушенной зоной. Повышается эффективность изоляции, минимизируются затраты. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула