Многопозиционный клапан для гидроразрыва пласта и борьбы с пескопроявлением и способ заканчивания скважины - RU2475626C2
Код документа: RU2475626C2
Чертежи
Описание
Область техники
Изобретение относится к способам заканчивания скважин, включающих гидроразрыв пластов (ГРП), а более конкретно к возможности осуществления ГРП в разрозненных зонах пласта в требуемом порядке через каналы клапана, который может быть затем использован для борьбы с пескопроявлением с целью обеспечения вызова притока без применения узла перекрестных потоков (кроссовера) и специального спуска противопесочных фильтров в скважину после операции ГРП.
Уровень техники
Типичная последовательность операций по заканчиванию скважины в прошлом включала спуск фильтров в комплекте с кроссовером и устанавливаемым над последним разобщающим пакером. У кроссовера имеется режим продавливания, при котором исключается обратный переток, благодаря чему жидкость, закачиваемая в колонну насосно-компрессорных труб (НКТ), попадает, благодаря наличию пакера, в кольцевое пространство за пределами фильтров и в пласт через, например, зацементированную и перфорированную обсадную колонну. В альтернативном варианте в состав обсадной колонны могли входить телескопические элементы, выдвигаемые в пласт, при этом часть колонны, из которой они выдвигались, могла быть зацементированной или нет. В любом случае жидкость ГРП попадала в кольцевое пространство за пределами фильтров и нагнеталась в пласт, ограниченный пакером, расположенным над кроссовером, и другим пакером или забоем скважины. После проведенного таким образом ГРП на конкретном участке зоны кроссовер переустанавливался с целью обеспечения обратного перетока, обычно через кольцевое пространство над разобщающим пакером и за пределами колонны НКТ, чтобы можно было начать операцию гравийной набивки. В ходе такой операции гравий выходит из кроссовера в кольцевое пространство за пределами фильтров. Несущая жидкость движется через фильтры и обратно в кроссовер, проходя, посредством пакера, вверх в кольцевое пространство снаружи от колонны НКТ, после чего выходит на поверхность. Вся эта процедура повторяется, если необходимо провести ГРП и установку гравийных фильтров в какой-либо другой зоне скважины, чтобы вызвать приток. После установки гравийных фильтров в требуемой зоне осуществляется спуск эксплуатационной колонны с пакером, устанавливаемым на необходимой отметке, и из зоны начинается приток.
Данная методика вызывает много вопросов, главный из которых касается продолжительности буровых операций по спуску в скважину и проведению работ в разрозненных зонах пласта. Прочие вопросы относятся к эрозионным свойствам гравийного шлама, проявляющимся при отложении гравия в ходе процедуры гравийной набивки. Отдельные участки кроссовера могут подвергнуться износу в ходе операций ГРП или последующей гравийной набивки. Если операции ГРП и гравийной набивки требуется провести в более чем одной отдельной зоне, то это означает дополнительные спускоподъемные операции в скважине с большим числом фильтров, связанных с кроссовером, установку разобщающего пакера и повторение данного процесса.
Последовательность операций при использовании данной методики обычно ограничивалась работами в скважине в направлении от забоя к устью.
Целью настоящего изобретения является нахождение путей оптимизации описанной процедуры для уменьшения продолжительности буровых операций и увеличения количества возможных вариантов локализации участков, где могут возникнуть трещины ГРП. Кроме того, благодаря уникальной многопозиционной клапанной системе трещины ГРП могут возникнуть сразу в нескольких зонах в любом требуемом порядке, вслед за чем клапанная система может быть переконфигурирована для размещения фильтрационного материала в положение, обеспечивающее получение притока посредством эксплуатационной колонны без необходимости спуска фильтров или кроссовера в скважину. Эти и другие преимущества настоящего изобретения станут более ясны специалистам в данной области из приведенного ниже описания различных вариантов осуществления изобретения с приложенными чертежами, полный объем которого определяется прилагаемой формулой изобретения.
Раскрытие изобретения
Колонна труб для заканчивания (скважины) устанавливается в положение, смежное с зоной или зонами, где требуется провести ГРП и получить приток. В предпочтительном варианте ее особенностью является наличие клапанов со скользящими муфтами, допускающими реализацию по меньшей мере двух конфигураций: широкое открытие и открытие канала с размещенным фильтрационным материалом. В предпочтительном варианте осуществления изобретения клапанный узел имеет три положения, где к двум упомянутым выше положениям добавляется положение полного закрытия. После спуска в скважину клапаны могут быть переведены в положение широкого открытия в любом порядке, требуемом для проведения ГРП. После завершения ГРП клапаны могут быть закрыты либо избирательно переведены в положение фильтрации для получения притока из зоны, подвергнутой ГРП, в любом требуемом порядке. Описаны различные способы активации клапанов. В колонне труб могут быть предусмотрены телескопические поршни, обеспечивающие проведение ГРП, если ситуация диктует цементирование колонны. В альтернативном варианте в колонне труб, спускаемой в необсаженную скважину, просто предусматриваются отверстия для прохождения жидкости ГРП и внешние пакеры для обеспечения проведения ГРП в любом требуемом порядке.
Краткое описание чертежей
На чертежах показано:
фиг.1 - вид с половинным разрезом трехпозиционных клапанов в положении открытия для спуска в скважину с дополнительным комплектом телескопических элементов, находящихся во втянутом положении,
фиг.2 - вид фиг.1 с зацементированной колонной и выдвинутыми, но еще перекрытыми телескопическими элементами,
фиг.3 - вид фиг.2 с закрытым верхним и открытым нижним клапанами и нижним телескопическим элементом, открытым и готовым к проведению ГРП,
фиг.4 - вид фиг.3 после ГРП, проведенного через нижний телескопический элемент, и с верхним клапаном, открытым для проведения ГРП через верхний телескопический элемент,
фиг.5 - вид фиг.4 после ГРП, проведенного через верхний телескопический элемент,
фиг.6 - вид фиг.5 с обоими клапанами, переведенными в положение фильтрации,
фиг.7 - вид в крупном масштабе трехпозиционного клапана в положении закрытия,
фиг.8 - вид фиг.7 с клапаном в положении широкого открытия для ГРП,
фиг.9 - вид фиг.8 с ограничителями перемещения скользящей муфты, сдвинутыми вправо,
фиг.10 - вид фиг.9 с муфтой, смещенной в положение фильтрации впритык к передвинутому ограничителю,
фиг.11 - вид в разрезе трехпозиционного клапана в варианте исполнения, содержащем механизм с J-образными пазами, в положении широкого открытия для ГРП,
фиг.12 - вид фиг.11 с клапаном в положении закрытия,
фиг.13 - вид фиг.12 с клапаном в положении фильтрации,
фиг.14 - один из возможных вариантов системы J-образных пазов для получения трех положений, показанных на фиг.11-13,
фиг.15 - вариант системы J-образных пазов, альтернативный относительно варианта на фиг.14, для получения трех положений, показанных на фиг.11-13,
фиг.16 - подробное изображение конструкции скользящей муфты, работающей на перепаде давлений между кольцевым пространством вокруг колонны НКТ и внутренней частью колонны,
фиг.17 - общий вид трехпозиционного клапана в положении закрытия, показывающий устройство фиксации трех его положений,
фиг.18 - вид фиг.17 с клапаном в положении фильтрации,
фиг.19 - вид фиг.18 с клапаном в положении открытия,
фиг.20 - альтернативный способ перемещения с помощью давления трехпозиционного клапана, показанного в положении перемещения поршня в направлении забоя скважины,
фиг.21 - вид фиг.19 с поршнем, перемещаемым в направлении устья скважины,
фиг.22 - вид фиг.20 с нейтральным положением поршня, где давление не вызывает перемещения,
фиг.23 - вид необсаженного ствола скважины перед спуском колонны труб для заканчивания,
фиг.24 - вид фиг.23 с узлом для заканчивания, крепящимся к зацементированной обсадной колонне, и многопозиционными клапанами в положении закрытия,
фиг.25 - вид фиг.24 с комплектом внешних пакеров,
фиг.26 - вид фиг.25 с нижним клапаном, открытым в режиме ГРП,
фиг.27 - вид фиг.26 с колонной, поднятой вверх и готовой для открытия верхнего клапана с целью проведения ГРП,
фиг.28 - вид фиг.27 с завершенным ГРП,
фиг.29 - вид фиг.28 с колонной, смещенной вниз и готовой для перевода обоих клапанов в режим фильтрации,
фиг.30 - вид фиг.29 с извлеченной колонной и обоими клапанами, переведенными в режим фильтрации,
фиг.31 - схематическое изображение альтернативного варианта осуществления изобретения, где для проведения ГРП и фильтрации используются отдельные отверстия в колонне, показанные в положении закрытия,
фиг.32 - вид фиг.31 с открытыми отверстиями ГРП,
фиг.33 - вид фиг.32 с открытыми отверстиями фильтрации.
Осуществление изобретения
Способ, предлагаемый в настоящем изобретении, может быть проиллюстрирован с помощью фиг.1. В стволе скважины 10 имеется обсадная колонна 12 с зацементированным затрубным пространством 14. На спусковой колонне 16 подвешена колонна труб 18, имеющая внешнюю подвеску хвостовика /перемычку 20, показанную в рабочем положении, обеспечивающем опору колонны 18 на обсадную колонну 12. Колонна 18 показана в иллюстративных целях с верхним отверстием 22 и нижним отверстием 24. Хотя на чертеже показано только по одному отверстию 22 и 24, специалистам в данной области будет ясно, что данный чертеж является схематическим и что каждое отверстие представляет несколько отверстий, расположенных в любом необходимом порядке, удовлетворяющем требованиям, предъявляемым к потоку. В данном варианте осуществления способа в каждом из отверстий 22 и 24 имеется телескопический элемент, соответственно 26 и 28, показанный во втянутом положении для спуска в скважину. В ходе спуска элементы 26 и 28 могут также находиться внутри колонны 18. В элементах 26 и 28 имеются каналы, соответственно 30 и 32, первоначально перекрытые
предохранительными заглушками с разрывными мембранами, соответственно 34 и 36. Отверстиям 22 и 24 сопоставлены клапанные узлы, соответственно 38 и 40, расположенные рядом в колонне 18. В показанном на фиг.1 варианте в клапанных узлах имеются свободные проходные отверстия 42 и 44 и фильтрационные отверстия 46 и 48. Имеются также длинные сплошные участки 50 и 52. Принцип действия клапанных узлов 38 и 40 подробно поясняется ниже. Специалистам в данной области здесь должно быть ясно, что при упоминании узла 38, распространяющемся, однако, на многие используемые и аналогичные ему узлы, подразумевается наличие соответствующего количества отверстий 42 и 46 для каждого отверстия 22. Фильтрационный материал в отверстии 46 в предпочтительном варианте представляет собой спеченный металлический порошок, но могут быть использованы и другие фильтрационные материалы, например сетчатые фильтры. Узел 38 показан как трехпозиционный клапан, но он может быть и двухпозиционным клапаном, у которого только какое-либо из отверстий 42 или 46 совмещено с отверстием 22. В этой конфигурации у клапанного узла 38 отсутствует положение закрытия.
На фиг.2 элементы 26 и 28 показаны в вытянутом положении, а колонна 18 зацементирована цементной массой 54. Эти два этапа могут проводиться в любом порядке. Все остальное остается неизменным.
На фиг.3 показана спусковая колонна 56, находящаяся в скважине в рабочем положении и готовности к вскрытию разрывной мембраны 36 для проведения ГРП через элемент 28.
На фиг.4 разрывная мембрана 36 вскрыта, а проппант 58 закачан под давлением в пласт 60 посредством элемента 28 через совмещенные отверстия 44 и 24. Давление поддерживается до тех пор, пока уменьшение потока не укажет на то, что ГРП посредством элемента 28 завершен.
На фиг.5 спусковая колонна 56 поднята с целью подготовки к ГРП через элемент 26 посредством вскрытия разрывной мембраны 34 и закачки проппанта или смеси 62 жидкости с песком в пласт 64. До закачки проппанта или смеси 62 может быть использовано средство борьбы с поглощением, обычное для отрасли, например пачки соответствующих веществ, или какой-либо иной механизм.
Следует отметить, что выступ 66 на спусковой колонне 56 предназначен для схематического представления одного или нескольких способов смещения клапанных узлов 38 и 40; сущность по меньшей мере нескольких альтернативных вариантов более подробно описывается ниже. Фиг.6 показывает клапанные узлы 38 и 40, смещенные для совмещения соответственно отверстий 46 с 22 и 48 с 24. В этот момент может быть спущена эксплуатационная колонна для вызова притока из пластов 60 или/и 64 в любом требуемом порядке либо из двух или более пластов одновременно. Специалистам в данной области должно быть ясно, что помимо отверстий 22 и 24 может быть предусмотрен ряд дополнительных отверстий, расположенных в пределах единственной продуктивной зоны или нескольких таких зон. При наличии нескольких зон, таких как 60 и 64, ГРП в них можно провести в любом требуемом порядке или одновременно. Сразу после проведения ГРП через некоторое заданное количество отверстий, таких как 24, эти отверстия могут быть избирательно изолированы путем, например, размещения сплошного участка 52 напротив отверстия 24.
Следует также отметить, что использование элементов 26 и 28 является необязательным. Ниже на основе фиг.23 описывается способ, используемый в необсаженной скважине. На фиг.23 показан ствол скважины 70, не имеющий обсадной колонны в своей нижней части 72. Обсадная колонна 74 зацементирована цементной массой 76. На фиг.24 спусковая колонна 78 перемещает в скважину колонну труб 80, пока последняя не фиксируется на обсадной колонне 74 подвеской/пакером 82. Как и раньше, колонна 80 имеет, например, два набора отверстий 84 и 86. Каждый набор представляет необходимое количество отверстий надлежащего размера, имеющих требуемую форму. Каждый набор отверстий 84 и 86 имеет сопоставленный ему клапанный элемент, соответственно 88 и 90. В предпочтительном варианте каждый клапанный элемент имеет два набора отверстий, соответствующих параметрам отверстий 84 и 86. Для клапанного элемента 88 таковыми являются наборы 92 и 94, а для клапанного элемента 90 - наборы 96 и 98. Наборы 92 и 96 представляют собой свободные отверстия, тогда как в наборах 94 и 98 в предпочтительном варианте имеется фильтрационный материал из спеченного металлического порошка, но могут быть также использованы фильтрационные материалы других типов, например проволочная сетка. В положении, показанном на фиг.24, отсутствует совмещение наборов клапанных элементов с отверстиями 84 и 86, вследствие чего эти отверстия оказываются закрытыми. В другом варианте может отсутствовать положение закрытия, и в этом случае для заданного набора отверстий, например 84, будет иметь место совмещение либо с набором 92, либо с набором 94. В обоих описанных вариантах описываемого способа клапанные узлы необязательно должны быть идентичными. Некоторые из них могут быть двухпозиционными без положения закрытия, а другие, при необходимости, могут быть трехпозиционными с положениями закрытия, ГРП и фильтрации. Фактическая работа клапанных узлов 88 и 90 описывается ниже. На чертеже показано, что внешний пакер 100 спущен в скважину. В качестве этого пакера могут быть использованы пакеры самых различных типов, устанавливаемые посредством их разбухания или расширения колонны 80 с помощи регулируемой калибрующей оправки, например спускаемой в скважину через спусковую колонну 78 мимо клапанного узла 88 для осуществления расширения колонны 80 изнутри в области установки внешнего пакера 100. Могут рассматриваться и другие типы пакеров.
На фиг.25 пакер 100 установлен для разобщения участков 102 и 104 ствола скважины 70. Все отверстия 84 и 86 закрыты.
На фиг.26 спусковая колонна 106 с изображенным схематически сдвигающим устройством 108 спущена в ствол скважины 70 для совмещения набора отверстий 96 с соответствующим набором 86 с целью проведения ГРП на участке 104. Отверстия 84 остаются закрытыми.
На фиг.27 показано, что ГРП на участке 104 ствола скважины 70 полностью завершен, а колонна 106 переустановлена в положение готовности к совмещению наборов 92 и 84. На фиг.28 видно, что выполнен ГРП на участке 102 ствола скважины 70 над пакером 100. Спусковая колонна 106 смещена вверх и находится в положении готовности к дальнейшим операциям по переустановке клапанных узлов 88 и 90 в положение фильтрации.
Фиг.29 показывает, что спусковая колонна переустановлена в положение, предшествующее перемещению клапанных узлов 88 и 90. На фиг.30 спусковая колонна 106 поднята из скважины, а наборы 94 и 98 совмещены соответственно с наборами 84 и 86. Теперь в стволе скважины 70 может быть вызван приток, когда эксплуатационная колонна и пакер будут установлены в требуемое положение в колонне 80.
Для уменьшения числа спускоподъемных операций в стволе скважины 70 можно использовать колонну 78, перемещающую колонну труб 80, в качестве сдвигающего устройства, исключив необходимость спуска отдельной колонны 106 со сдвигающим устройством 108 на ее нижнем конце. Кроме того, та же колонна, что перемещает колонну 80, может также смещать клапанные узлы 88 и 90 описанным образом и, наконец, служить - при наличии соответствующего внешнего пакера (не показан), - в качестве эксплуатационной колонны после перевода клапанных узлов 88 и 90 в режим фильтрации, как это показано на фиг.30.
Преимущество способа, представленного на фиг.24-30, состоит в том, что вообще исключается необходимость спуска в скважину фильтров и кроссовера.
Операции ГРП могут быть выполнены в любой требуемой последовательности путем перемещения клапанов в нужном порядке и установки внешних пакеров для разобщения отверстий, например 84 и 86, в необсаженной скважине, используя, например, пакер 100 между парами наборов отверстий. Сразу после ГРП в скважину может быть вызван приток через фильтрующую среду в наборах отверстий, например 94 и 98, совмещенных соответственно с наборами 84 и 86. Благодаря отсутствию кроссовера исключаются риски его повреждения вследствие эрозии или в результате прихвата, а также режимы продавливания и последующей циркуляции, которые были бы необходимы для проведения ГРП с последующей гравийной набивкой. Кроме того, исключение гравийной набивки устраняет риски образования в ходе этой операции перемычек или сложных структур, например перепускных каналов в кольцевом пространстве, обходящих песчаные перемычки, образованные при гравийной набивке. При этом экономится очень много времени на буровых операциях и средств, затрачиваемых на оборудование бурового подрядчика.
Даже по сравнению с методом, представленным на фиг.1 - 6 и уже обладающим тем преимуществом, что исключается необходимость в перфорации с использованием элементов 26 и 28, настоящий способ обладает дополнительным преимуществом, состоящим в том, что приток может быть вызван после ГРП простой переустановкой клапанов, например 38 и 40, в положение фильтрации путем совмещения отверстий 46 и 48 соответственно с отверстиями 22 и 24. При этом, как описывалось выше, отсутствует необходимость в отдельных спускоподъемных операциях с фильтрами и кроссовером и исключаются риски, связанные с этим оборудованием. Помимо этих преимуществ, обеспечивается возможность проведения ГРП в любом требуемом порядке и получения притока из любого требуемого количества (одного или нескольких) участков ствола скважины. Если, например, в определенной зоне начинается водопроявление, то оно может быть ликвидировано. Если в подобных характеристиках нет необходимости, данная система может быть даже более простой и включать двухпозиционные клапаны, работающие в режимах ГРП или фильтрации без функции закрытия. Клапанные узлы, например 38 и 40, могут, в зависимости от необходимости, иметь конфигурацию, обеспечивающую работу в отдельности или в каскаде. Они могут быть локально активированы посредством спусковой колонны 56 со сдвигающим устройством 101 либо приводиться в движение локальным источником питания или приложенным давлением, градиентом давления, двигателями с локальным монтажом и питанием или другими способами.
Ниже описываются различные режимы работы многопозиционных клапанов со скользящими муфтами в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения. На фиг.7 показана скользящая муфта 110, расположенная в выемке 112, концы которой определяются подвижными ограничителями перемещения 114 и 116. Нижний конец 118 на фиг.7 находится впритык к ограничителю 116, вследствие чего как свободные отверстия 120, так и отверстия 122, содержащие фильтрационный материал, в предпочтительном варианте спеченный металлический порошок 124, не совмещены с отверстиями 126 колонны труб 128. Этим определяется положение закрытия, поскольку сплошная стенка перекрывает уплотнения 130 и 132, смонтированные на колонне 128. На фиг.8 показана муфта 110, смещенная таким образом, что верхний конец 134 находится впритык к ограничителю 114, благодаря чему отверстия 120 совмещены с отверстиями 126, чем определяется положение ГРП. Специалистам в данной области должно быть ясно, что известное сдвигающее устройство (не показано) может захватывать муфту 110 в канавках 136 или 138 и перемещать ее в противоположных направлениях для закрытия отверстий 126 (фиг.7) либо перевода в положение полного открытия или беспрепятственного проведения ГРП (фиг.8). Следует отметить, что положения ограничителей 114 и 116, показанные на фиг.7 и 8, исключают совмещение отверстий 122 с отверстиями 126.
Ограничители 114 и 116 смонтированы таким образом, что они могут вращаться на резьбовых отрезках, соответственно 140 и 142. На ограничителях 114 и 116 имеется ряд выемок, схематически представленных как 144 и 146 и позволяющих спущенному в скважину инструменту (не показан) войти в контакт с ограничителями 114 и 116 для вращения последних соответственно на резьбовых отрезках 140 и 142 с целью переустановки одного или обоих ограничителей по мере необходимости. На фиг.9 оба ограничителя 114 и 116 смещены вправо, то есть в направлении забоя скважины. Муфта 110 смещена вместе с ограничителем 114, но отверстия 126 пока остаются закрытыми. На фиг.10 показана муфта 110, смещенная инструментом (не показан), приложенным к канавке 138. В результате перемещения муфты 110 вправо (в направлении забоя) отверстия 122 с содержащимся в них фильтрационным материалом 124 теперь совмещены с отверстиями 126. Для показанного на фиг.10 положения ограничителей 114 и 116 единственными возможными вариантами являются закрытые отверстия 126 (фиг.9) или отверстия 126, открытые для фильтрации (фиг.10). Специалистам в данной области должно быть ясно, что между 114 и 116 можно перемещать только один ограничитель. Несмотря на то что на чертежах представлено продольное перемещение ограничителей посредством вращения на резьбе, специалистам в данной области должно быть ясно, что поступательное перемещение ограничителей в продольном направлении может осуществляться в результате локально приложенного механического усилия либо удаленно или локально приложенного давления, а также с помощью других способов, обеспечивающих продольное перемещение ограничителей 114 и 116. В альтернативном варианте можно исключить ограничители 114 и 116, установив муфту 110 в выемке 112 на резьбе таким образом, чтобы при вращении она перемещалась в продольном направлении, либо обеспечить продольное перемещение муфты 110 в обоих направлениях посредством реечно-шестеренчатого механизма с использованием локально смонтированного двигателя либо приводного усилия, обеспечиваемого спускаемым в скважину инструментом, гидростатическим давлением или давлением, приложенным в стволе скважины (можно привести ряд примеров). Муфту 110 можно изготовить из отдельных частей, могущих перемещаться друг относительно друга, так что вместо перемещения ограничителей 114 или 116 для обеспечения такого же выбора конфигураций для отверстий 126 можно перемещать одну часть муфты 110 относительно другой с целью переустановки муфты или изменения состояния ее отверстий. Ниже описываются и другие варианты управления муфтой, такой как 110.
На фиг.11 показан клапанный элемент 148 в корпусе 150, содержащем, например, наборы отверстий 152 и 154. Клапанный элемент 148 имеет наборы свободных отверстий 156 и 158, показанных совмещенными с отверстиями 152 и 154, что соответствует положению ГРП. В данной конструкции клапанный элемент 148 крепится к корпусу 150 посредством механизма с J-образными пазами, два примера которого представлены на фиг.14 и 15. Один из способов управления клапанным элементом 148 состоит в применении сдвигающего устройства (не показано), осуществляющего захват за внутреннюю выемку 160, так что к муфте 148 может быть приложено усилие захвата и посадки для перевода ее в положения, показанные на фиг.12 и 13, с использованием преимуществ, предоставляемых механизмом с J-образными пазами, крепящего, подвижным образом, клапанный элемент 148 к корпусу 150. На фиг.12 клапанный элемент показан смещенным из положения, показанного на фиг.11, так что отверстия 152 и 154 перекрываются клапанным элементом 148, чем определяется состояние полного закрытия. Фиг.13 показывает наборы отверстий 160 и 162, содержащих фильтрационный материал, в предпочтительном варианте спеченный металлический порошок, и теперь совмещенных с отверстиями 152 и 154, что определяет состояние готовности к режиму вызова притока, используемому после завершения ГРП. ГРП начинается, когда компоненты находятся в положении, показанном на фиг.11. Таким образом, для изображенного на чертежах клапанного узла имеются три положения, которые должны фиксироваться посредством механизма с J-образными пазами. Работа J-образного паза на фиг.14 основана на изменении положения клапанного элемента 148 посредством комбинации захвата и посадки под действием веса. Когда цапфа (не показана) оказывается в самой верхней точке 164 системы накатанных открытых J-образных пазов, показанной на фиг.14, клапанный элемент 148 находится в показанном на фиг.13 положении, определяющем вызов притока и фильтрацию. В точке 166 клапанный элемент находится в положении ГРП (фиг.11). Наконец, когда цапфа оказывается в точке 168, клапанный элемент 148 находится в положении закрытия (фиг.12). В альтернативном варианте трехпозиционное регулирование может быть достигнуто с помощью J-образных пазов, в которых происходит захват и удержание в точке 170 на фиг.15, что соответствует положению фильтрации на фиг.13. Точка 174 местонахождения цапфы соответствует положению ГРП на фиг.11, а точка 172 - положению закрытия на фиг.12.
Хотя на чертежах показана одна муфта с двумя разнесенными наборами, в каждом из которых имеются отверстия со свободным проходом и с фильтрационным материалом, число таких наборов в одном клапанном элементе 148 может быть больше или меньше. Положение закрытия предусматривается по мере необходимости. Перемещение клапанного элемента 148 может также осуществляться способами, основанными на использовании давления, что будет описано ниже.
Один из таких способов представлен на фиг.16-19. На фиг.17 показан общий вид устройства, содержащего корпус 176 с резьбовыми соединениями, имеющий в стенке кольцевую выемку 178, в которой установлен подвижный поршень 180 с уплотнениями 182 и 184, и отверстие 186, открывающееся в выемку 178. Уплотнения 188 и 190 обеспечивают поддержание давления в выемке 178 при совершении поршнем возвратно-поступательного движения. Поршень 180 делит выемку 178 на две полости 192 и 194 переменного объема. На фиг.17 отверстие 196 связано с полостью 194. Поршень 180 соединен с клапанным элементом 198, имеющим один набор свободных отверстий 200 и один набор отверстий 202, содержащих фильтрационный материал. Ограничитель перемещения 204 определяет на фиг.17 положение, в котором набор отверстий 206 перекрывается клапанным элементом 198. Корпус 176 также имеет ряд разнесенных выступов 208, 210 и 212, в предпочтительном варианте находящихся на заданном расстоянии друг от друга. Клапанный элемент 198 содержит углубление 214, показанное на фиг.17 и предназначенное для регистрации его выступом 208 с целью фиксации показанного на фиг.17 положения, при котором отверстия 206 закрыты.
Дополнительные подробности иллюстрируются фиг.16, где спусковая колонна 218 имеет внешнее уплотнение 220, расположенное, как показано на чертеже, между отверстиями 186 и 196. Поршень 180 имеет отверстие 222, благодаря которому обеспечивается передача давления через колонну 218, отверстие 196 и затем через отверстие 222 в полость 194 с целью перемещения поршня 180 влево, то есть в направлении устья скважины. Поршень 180 движется в направлении устья скважины, увлекая за собой клапанный элемент 198, по мере того как углубление 214 перескакивает через выступ 208 и движется в том же направлении, пока не будет зарегистрировано выступом 210. Это положение показано на фиг.18, иллюстрирующем совмещение набора фильтрационных отверстий 202 с отверстиями 206 в корпусе. Регистрация углубления выступами, однако, представляет собой лишь один из способов подтверждения выполнения заданного движения клапанным элементом 198, в данном случае зависящего от заданной величины приложенного давления. Снятие давления после достижения выступа просто сохраняет последнее достигнутое положение. Для достижения показанного на фиг.19 положения, где свободные отверстия 200 совмещаются с отверстиями 206, определяя готовность к ГРП, давление в колонне 218 (положение на фиг.16) просто снова повышается, пока углубление 214 не перескочит выступ 210 и не дойдет до выступа 212. В этот же момент клапанный элемент также соударяется с ограничителем перемещения 224. Этим определяется положение готовности к ГРП (фиг.19). По мере того как поршень 180 движется в направлении устья скважины, то есть влево (фиг.16), расположенный над ним вытесняемый флюид выходит через отверстие 186 и попадает в кольцевое пространство 226 между колонной 218 и корпусом 176. Направление движения поршня 180 можно изменить на обратное, просто приложив давление к кольцевому пространству 226, в результате чего поршень 180 будет перемещаться вниз, вытесняя флюид из полости 194 через отверстия 222 и затем 196, после чего он возвратится в колонну 218.
Альтернативный вариант использования приложенного давления, основанный не на перепаде давлений между внутренней частью колонны 218 и кольцевым пространством 226 вокруг него (как это было представлено на фиг.16-19), показан на фиг.20-22. Детали корпуса 176' являются идентичными варианту осуществления на фиг.16-19. Отличие состоит в том, что спусковая колонна 230 имеет внутреннюю муфту 232 с рядом радиальных отверстий 234, находящихся между уплотнениями 236 и 238. Кольцевые полости 240 и 242 образованы между парами уплотнений соответственно 238 и 244 для полости 242 и 236 и 246 для полости 240. Отверстие 248 обеспечивает прохождение флюида, соединяя полости 240 и 242. Отверстие 250 проходит от полости 242 через стенку колонны 230 и над внешним уплотнением 254. Отверстие 252 проходит от полости 240 между внешними уплотнениями 256 и 258. Отверстия 234 обеспечивают радиальный выход из внутренней части колонны 230 через ее стенку и между внешними уплотнениями 254 и 256. В предположении, что колонна 230 закрыта или может быть закрыта на своем нижнем конце 260 либо что удлиненный трубчатый корпус 176' закрыт для передачи давления вниз от нижнего конца 260, давление, прикладываемое в положении, представленном на фиг.20, передается через отверстия 234 в полость 192', вызывая перемещение поршня 180', при этом полость 192' становится больше, а полость 194' - меньше в результате вытеснения флюида через отверстия 222', затем 196' в кольцевое пространство 262, уравновешенное относительно полостей 240 и 242. Таким способом поршень 180' может быть перемещен в его следующие положения, как это было описано выше.
На фиг.21 представлено перемещение поршня 180' в противоположном направлении. Отверстия 234 в этом случае обеспечивают прохождение флюида, будучи связанными с отверстиями 196' вместо отверстий 186', как это показано на фиг.20. Отверстия 250 теперь связаны с кольцевым пространством 262. Приложенное давление передается от колонны 230 через отверстия 234, 196' и затем 222', перемещая поршень 180' в направлении, где объем полости 194' становится больше, а полости 192' - меньше. Флюид, вытесненный из полости 192', проходит через отверстия 186', полости 240 и 242, канал 248, отверстия 250 и попадает в кольцевое пространство 262. Результирующее движение клапанного элемента (не показан на фиг.20-22) является таким же, как описано в отношении фиг.16-19. На фиг.22 показан другой способ достижения такого же результата для колонны 230, находящейся в положении, представленном на фиг.20. На фиг.22 давление просто передается от нижнего конца 260 в отверстия 186'. Действуя оттуда, давление увеличивает полость 192' и вытесняет флюид из полости 194', вынуждая его последовательно пройти через отверстия 222', 196', 252, канал 248 и отверстия 250 в кольцевое пространство 262.
Специалистам в данной области должно быть ясно, что настоящее изобретение предусматривает в колонне труб отверстия двойного назначения, которые могут быть использованы для проведения ГРП, а затем переключены на фильтрацию, так что, например, при заканчивании открытым стволом отсутствует необходимость в спуске в скважину фильтров и кроссовера. Отверстия могут быть сконфигурированы для проведения ГРП в любом требуемом порядке, а между ними в необсаженной скважине можно расположить внешние разобщающие пакеры, обеспечивающие индивидуальную или совместную обработку различных участков ствола скважины в соответствии с необходимостью и в любом требуемом порядке. По одному и тому же принципу можно вызвать приток из различных интервалов или изолировать их.
Клапанный узел может быть двухпозиционным (ГРП и получение притока) или трехпозиционным (добавляется положение закрытия). Кроме того, число спускоподъемных операций в скважине может быть уменьшено посредством использования одной и той же спусковой колонны для спуска колонны для заканчивания, перемещения в ней клапанов в соответствии с необходимостью, а также для работы в качестве эксплуатационной колонны после перевода нужных клапанов в режим вызова притока. Для активации клапанов можно применить различные методики, включающие, например, использование механического усилия, давления и механизма с J-образными пазами в сочетании с физическим управлением. Исключение кроссовера и фильтров не только экономит время, затрачиваемое на буровые операции, но и исключает риски, связанные с использованием кроссовера и фильтров с гравийной набивкой, например эрозию кроссовера и образование перемычек в гравийных фильтрах.
Альтернативный вариант осуществления изобретения представлен на фиг.31-33. На фиг.31 колонна труб 300 имеет набор отверстий для ГРП 302 и набор фильтрационных отверстий 304 с фильтрационным веществом 306, связанным с каждым из отверстий 304. Скользящая муфта 308 имеет набор отверстий 310, которые должны избирательно совмещаться с наборами 302 или 304 либо не совмещаться ни с одним из этих наборов, как в случае положения закрытия, показанного на фиг.31. На фиг.32 показано положение ГРП, а на фиг.33 - положение фильтрации для вызова притока. Настоящее изобретение включает вариант использования общего отверстия в колонне с фильтрационным материалом, находящимся в скользящей муфте, либо наличия в колонне наборов отверстий, в одном из которых находится фильтрационный материал, а другой широко открыт для проведения ГРП, как показано на фиг.31-33.
Приведенное выше описание носит иллюстративный характер и относится к предпочтительному варианту осуществления изобретения. Специалистами в данной области может быть внесено много изменений без отступления от сущности изобретения, объем которого буквально и эквивалентно определяется пунктами приведенной ниже формулы изобретения.
Реферат
Группа изобретений относится к способам заканчивания скважин, включающих гидроразрыв пластов. В заявке описывается колонна труб для заканчивания скважины, устанавливаемая в положение, смежное с зоной или зонами, где требуется провести ГРП и получить приток. В предпочтительном варианте ее особенностью является наличие клапанов со скользящими муфтами, допускающими реализацию, по меньшей мере, двух конфигураций: широкое открытие и открытие канала с размещенным фильтрационным материалом. Клапанный узел может иметь три положения, где к двум упомянутым выше положениям добавляется положение полного закрытия. После спуска в скважину клапаны могут быть переведены в положение широкого открытия в любом порядке, требуемом для проведения ГРП. После завершения ГРП клапаны могут быть закрыты либо избирательно переведены в положение фильтрации для получения притока из зоны, подвергнутой ГРП, в любом требуемом порядке. Описаны различные способы активации клапанов. В колонне труб могут быть предусмотрены телескопические поршни, обеспечивающие проведение ГРП, если ситуация диктует цементирование колонны. В альтернативном варианте в колонне труб, спускаемой в необсаженную скважину, просто предусматриваются отверстия для прохождения жидкости ГРП и внешние пакеры для обеспечения проведения ГРП в любом требуемом порядке. Технический результат заключается в возможности осуществления ГРП в разрозненных зонах пласта в требуемом порядке. 4 н. и 36 з.п. ф-лы, 33 ил.
