СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ В СТВОЛЕ СКВАЖИНЫ С ОБРАТНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА
METHOD AND SYSTEM FOR CEMENTING CASING PIPE IN WELL BOREHOLE WITH REVERSE CIRCULATION OF CEMENT GROUT

Предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение относится к способам и системам для цементирования обсадной колонны в стволе скважины. Более точно, изобретение относится к способу с обратной циркуляцией цементного раствора, при котором цементный раствор закачивают вниз в кольцевое пространство между обсадной колонной и стволом скважины и удерживают на месте во время затвердевания цемента.
Используемые в настоящее время способы, как правило, предусматривают закачивание цементного раствора в нижнюю часть внутреннего пространства обсадной колонны из башмака обсадной колонны и вверх через кольцевое пространство. Резиновые пробки смещаются вниз через обсадную колонну за раствором для предотвращения осаждения раствора внутри обсадной колонны. Поскольку цемент должен перемещаться до самого низа обсадной колонны, к башмаку, и затем обратно вверх через кольцевое пространство между обсадной колонной и стволом, дорогостоящие замедлители схватывания цементного раствора смешивают с цементным раствором для предотвращения преждевременного затвердевания цемента. Перемещение цемента на большое расстояние также приводит к продолжительным временам закачивания.
Цементные растворы представляют собой сравнительно плотные и тяжелые текучие среды. Для подъема раствора вверх от башмака обсадной колонны в кольцевом пространстве оборудование для закачивания под высоким давлением должно быть использовано для повышения давления в обсадной колонне. Высокое давление обеспечивает смещение цементного раствора и верхней цементировочной пробки вниз через обсадную колонну и наружу через башмак обсадной колонны в кольцевое пространство. Высокое давление внутри обсадной колонны может привести к образованию трещин и других повреждений в обсадной колонне. Кроме того, высокое давление, создаваемое в кольцевом пространстве в нижней части ствола скважины, может быть достаточным для вдавливания цементного раствора в пласт, что приводит к разрыву пласта.
Альтернативно, был использован способ с обратной циркуляцией цементного раствора, при котором цементный раствор закачивают вниз через кольцевое пространство между обсадной колонной и стенкой ствола скважины. Раствор смещается вниз через кольцевое пространство до тех пор, пока передний край массы раствора не окажется непосредственно внутри башмака обсадной колонны. Необходимо отслеживать положение переднего края раствора для определения того момента, когда он подойдет к башмаку обсадной колонны. Каротажные приборы и меченые текучие среды (посредством плотности и/или источников радиоактивного излучения) использовались для отслеживания положения переднего края цементного раствора. Если значительный объем цементного раствора поступит в башмак обсадной колонны, должны быть выполнены операции очистки для гарантирования того, что цемент внутри обсадной колонны не закроет установленные продуктивные зоны. Информация о положении, получаемая благодаря меченым текучим средам, как правило, становится доступной оператору только после существенной задержки. Таким образом, даже при использовании меченых текучих сред оператор не сможет остановить поток цементного раствора, поступающий в обсадную колонну через башмак обсадной колонны, до тех пор пока значительная масса цемента не поступит в обсадную колонну. Неточный мониторинг положения переднего края цементного раствора может привести к образованию столба цемента в обсадной колонне, имеющего длину от 100 футов до 500 футов. В этом случае данный нежелательный цемент должен быть выбурен из обсадной колонны, что приводит к существенным затратам.
Сущность изобретения
Согласно изобретению создан способ цементирования обсадной колонны в стволе скважины, включающий следующие операции:
установка инструмента, имеющего множество сквозных отверстий, в заданном положении у нижнего конца обсадной колонны;
подача насосом множества пробок в текучей среде вниз через кольцевое пространство между обсадной колонной и стенкой ствола скважины к инструменту;
введение одной из пробок в контакт со стенками, по меньшей мере, одного отверстия инструмента.
Установка инструмента в заданном положении может включать прикрепление инструмента к нижнему концу обсадной колонны и спуск обсадной колонны в ствол скважины.
Можно использовать большее или меньшее количество пробок, чем количество отверстий в инструменте.
Текучая среда может представлять собой цементный раствор или промывочную жидкость.
Подача насосом пробок может включать закачивание промывочной жидкости после пробок до достижения пробками инструмента или закачивание цементного раствора после пробок до достижения пробками инструмента.
Способ может дополнительно включать операцию поддержания контакта части пробок со стенками отверстий в инструменте до затвердевания цементного раствора в кольцевом пространстве, операцию удерживания цементного раствора в кольцевом пространстве посредством закрытия клапана в инструменте, операцию определения объема кольцевого пространства. Определение объема кольцевого пространства может включать текущий контроль скорости потока текучей среды во время подачи пробок насосом и вычисление объема текучей среды, закачанной во время подачи пробок насосом к инструменту.
Общая площадь поперечных сечений отверстий может превышать площадь поперечного сечения внутреннего пространства обсадной колонны.
Способ может дополнительно включать операцию выведения пробок из контакта со стенками отверстий для удаления пробок из инструмента.
Согласно изобретению создан способ определения объема кольцевого пространства между обсадной колонной и стенкой ствола скважины, включающий следующие операции:
установка инструмента, имеющего множество сквозных отверстий, в заданном положении у нижнего конца обсадной колонны;
подача насосом множества пробок в текучей среде вниз через кольцевое пространство между обсадной колонной и стенкой ствола скважины к инструменту;
текущий контроль скорости потока текучей среды во время подачи насосом;
обнаружение изменения скорости потока;
вычисление объема текучей среды, закачанной во время подачи насосом пробок к инструменту.
Установка инструмента в заданном положении может включать прикрепление инструмента к нижнему концу обсадной колонны и спуск обсадной колонны в ствол скважины.
Можно использовать большее или меньшее количество пробок, чем количество отверстий в инструменте.
Подача насосом пробок может включать закачивание промывочной жидкости после пробок до достижения пробками инструмента.
Согласно изобретению создана также система для цементирования обсадной колонны в стволе скважины, содержащая инструмент, имеющий множество сквозных отверстий и присоединенный к нижней секции обсадной колонны, и множество пробок, выполненных с возможностью ввода их в контакт со стенками отверстий инструмента.
В системе общая площадь поперечных сечений отверстий может превышать площадь поперечного сечения внутреннего пространства обсадной колонны.
Количество пробок может быть больше или меньше количества отверстий в инструменте.
Часть отверстий может представлять собой цилиндрические отверстия или конические отверстия. Часть пробок может представлять собой сферические пробки или пробки, эллиптические, по меньшей мере, в одном сечении.
Система может дополнительно содержать клапан, соединенный с инструментом и закрывающий отверстия в своем закрытом положении и открывающий отверстия в своем открытом положении.
Цели, признаки и преимущества настоящего изобретения станут вполне очевидными для специалистов в данной области техники при изучении нижеприведенного описания предпочтительных вариантов осуществления.
Краткое описание чертежей
Лучшее понимание настоящего изобретения может быть обеспечено при изучении нижеследующего описания неограничивающих вариантов осуществления, приведенных со ссылкой на приложенные чертежи, при этом аналогичные элементы каждой из нескольких фигур обозначены одинаковыми ссылочными знаками, и указанные фигуры кратко описаны следующим образом:
фиг.1 представляет собой вид сбоку основной обсадной колонны, подвешенной в стволе скважины, при этом инструмент для улавливания пробок прикреплен к нижнему концу основной обсадной колонны;
фиг.2 представляет собой вид сбоку инструмента для улавливания пробок, имеющего отверстия для пробок и башмак обсадной колонны;
фиг.3 представляет собой боковое сечение цилиндрического отверстия для пробки в инструменте для улавливания пробок, при этом сферическая пробка введена в контакт со стенками отверстия для пробки;
фиг.4 представляет собой боковое сечение конического отверстия для пробки, при этом сферическая пробка введена в контакт со стенками отверстия для пробки;
фиг.5 представляет собой боковое сечение цилиндрического отверстия для пробки в инструменте для улавливания пробок, при этом эллиптическая пробка введена в контакт со стенками отверстия для пробки;
фиг.6 представляет собой боковое сечение конического отверстия для пробки в инструменте для улавливания пробок, при этом эллиптическая пробка введена в контакт со стенками отверстия для пробки;
фиг.7 представляет собой боковое сечение основной обсадной колонны с инструментом для улавливания пробок у ее нижнего конца, при этом пробки и цементный раствор поданы насосом из линии нагнетания в кольцевое пространство;
фиг.8 представляет собой вид сбоку обсадной колонны и ствола скважины, показанных на фиг.7, при этом пробки и цементный раствор поданы насосом вниз в существенную часть кольцевого пространства;
фиг.9 представляет собой вид сбоку обсадной колонны и ствола скважины, показанных на фиг.7 и 8, при этом пробки поданы насосом для введения их в контакт со стенками отверстий для пробок инструмента для улавливания пробок, и цементный раствор полностью заполняет кольцевое пространство;
фиг.10 представляет собой боковое сечение основной обсадной колонны, зацементированной в стволе скважины, и дополнительной обсадной колонны, подвешенной в стволе скважины ниже основной обсадной колонны и имеющей инструмент для улавливания пробок на своем нижнем конце;
фиг.11 представляет собой боковое сечение дополнительной обсадной колонны и ствола скважины, показанных на фиг.10, при этом показано, что первый комплект пробок подается насосом в кольцевое пространство по линии нагнетания;
фиг.12 представляет собой боковое сечение дополнительной обсадной колонны и ствола скважины, показанных на фиг.10 и 11, при этом проиллюстрирована первая группа пробок, введенных в контакт со стенками отверстий для пробок инструмента для улавливания пробок;
фиг.13 представляет собой боковое сечение дополнительной обсадной колонны и ствола скважины, показанных на фиг.10-12, при этом проиллюстрированы: первая группа пробок в нижней части опережающей скважины малого диаметра и вторая группа пробок, введенных в контакт со стенками отверстий для пробок инструмента для улавливания пробок, и цементный раствор заполняет дополнительное кольцевое пространство;
фиг.14 представляет собой боковое сечение дополнительной обсадной колонны и ствола скважины, показанных на фиг.10-13, при этом показано, что операция цементирования завершена и освобождающий инструмент и колонна труб извлечены из скважины;
фиг.15А представляет собой боковое сечение клапана, используемого для перекрывания потока текучей среды через инструмент для улавливания пробок, при этом клапан находится в открытом положении;
фиг.15В представляет собой боковое сечение клапана, показанного на фиг.15А, при этом клапан показан в закрытом положении;
фиг.16А представляет собой боковое сечение клапана, используемого для перекрывания потока текучей среды через инструмент для улавливания пробок, при этом клапан показан в открытом положении;
фиг.16В представляет собой боковое сечение клапана, показанного на фиг.16А, при этом клапан закрыт.
Тем не менее следует отметить, что приложенные чертежи иллюстрируют только типовые варианты осуществления данного инструмента, и поэтому их не следует рассматривать как ограничивающие его объем, поскольку изобретение может допускать в равной степени эффективные варианты осуществления.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показано боковое сечение ствола 1 скважины и основной обсадной колонны 11 по настоящему изобретению. Ствол 1 скважины пробурен ниже поверхности 7 земли. Кондукторная обсадная колонна 2 вставлена на малое расстояние ниже поверхности 7 в ствол 1 скважины. Противовыбросовый превентор 3 прикреплен к верхней части кондукторной обсадной колонны 2, которая немного выступает над поверхностью 7. Переходной ниппель 8 прикреплен к верхней части противовыбросового превентора 3 или может быть прикреплен к основной обсадной колонне 11. Обратная линия 9 проходит от верхней части переходного ниппеля 8, и расходомер 6 для обсадной колонны осуществляет мониторинг скорости потока в обратной линии 9. Линия 10 нагнетания присоединена к кондукторной обсадной колонне 2 ниже противовыбросового превентора 3 для обеспечения сообщения по текучей среде с внутренним пространством кондукторной обсадной колонны 2. Линия 10 нагнетания имеет манометр 4 для измерения давления в кольцевом пространстве и расходомер 5 для кольцевого пространства. Основная обсадная колонна 11 подвешена в стволе 1 скважины под противовыбросовым превентором 3. Инструмент 20 для улавливания пробок прикреплен к нижнему концу основной обсадной колонны 11, и башмак 12 обсадной колонны 12 прикреплен к нижнему концу инструмента 20 для улавливания пробок.
На фиг.2 показан вид сбоку инструмента 20 для улавливания пробок по настоящему изобретению. В данном варианте осуществления инструмент 20 для улавливания пробок представляет собой отрезок цилиндрической трубы, имеющий множество отверстий 21 для пробок, при этом указанные отверстия проходят насквозь от наружной поверхности до внутренней поверхности трубы. Могут быть предусмотрены разное количество и различные конфигурации отверстий 21 для пробок. В проиллюстрированном варианте осуществления отверстия 21 для пробок расположены линейно в продольном и поперечном направлениях. Кроме того, размеры отверстий 21 для пробок могут быть различными в зависимости от конкретного применения. В одном варианте осуществления общая сумма площадей поперечных сечений отверстий 21 для пробок превышает площадь поперечного сечения внутреннего отверстия, определяемого внутренним диаметром основной обсадной колонны 11. Это гарантирует то, что инструмент 20 для улавливания пробок не будет создавать значительных препятствий для потока промывочной жидкости через скважину. Башмак 12 обсадной колонны, прикрепленный к инструменту 20 для улавливания пробок, может представлять собой башмак любого типа или вида, известного специалистам в данной области техники.
На фиг.3-6 проиллюстрированы боковые сечения отверстий 21 для пробок и пробок 30. На фиг.3 пробка 30 имеет сферическую форму, и отверстие 21 для пробки имеет цилиндрическую форму. Наружный диаметр пробки 30 превышает внутренний диаметр отверстия 21 для пробки. Таким образом, когда пробка 30 находится в виде суспендированного элемента в текучей среде, проходящей через отверстие 21 для пробки, пробка 30 будет втягиваться по направлению к отверстию 21 для пробки и в конце концов войдет в контакт со стенками наружной части 22 отверстия 21 для пробки. Поскольку пробка 30 является слишком большой для прохода через отверстие 21 для пробки, более высокое относительное давление текучей среды снаружи инструмента 20 для улавливания пробок будет удерживать пробку 30 у наружной части 22 отверстия 21 так, что она будет закупоривать отверстие 21 для пробки.
Сферическая пробка 30 также показана на фиг.4. Однако отверстие 21 для пробки по данному варианту осуществления имеет коническую форму. Наружная часть 22 отверстия 21 имеет больший диаметр по сравнению с внутренней частью 23 отверстия 21. Наружный диаметр пробки 30 меньше диаметра наружной части 22, но больше диаметра внутренней части 23. Это создает возможность прохода пробки 30 в отверстие 21 для пробки, где она застревает в некотором месте между наружной частью 22 и внутренней частью 23. Вследствие того, что пробка 30 находится в виде суспендированного элемента в текучей среде, проходящей через отверстие 21 для пробки, пробка втягивается по направлению к отверстию 21 для пробки, где она в конце концов оказывается застрявшей в отверстии 21 для пробки. Поскольку пробка 30 застревает внутри отверстия 21 для пробки, ее выход из контакта со стенками отверстия 21 для пробки становится менее вероятным даже в том случае, когда давление текучей среды выравнивается от края до края отверстия 21 для пробки.
На фиг.5 проиллюстрирован вариант осуществления изобретения, в котором пробка 30 имеет эллиптическую форму в поперечном сечении. Отверстие 21 для пробки имеет цилиндрическую форму, так что диаметры наружной части 22 и внутренней части 23 отверстия 21 являются одинаковыми. В то время как пробка 30 является эллиптической в продольном направлении, она является круглой в поперечном направлении. Наибольший диаметр круглого сечения в поперечном направлении больше диаметра наружной части 22. Таким образом, когда пробка 30 находится в виде суспендированного элемента в текучей среде, проходящей через отверстие 21 для пробки, пробка 30 застревает у наружной части 22, как показано на фиг.5.
На фиг.6 показано боковое сечение пробки 30 и отверстия 21 для пробки в инструменте 20 для улавливания пробок. В данном случае пробка 30 также имеет эллиптическую форму в продольном направлении и круглую форму в поперечном направлении. Отверстие 21 для пробки имеет коническую форму, так что диаметр наружного отверстия 22 больше диаметра внутренней части 23. Диаметр круглого сечения пробки 30 в поперечном направлении меньше диаметра наружной части 22, но больше диаметра внутренней части 23. Таким образом, когда пробка 30 втягивается в отверстие 21 для пробки при проходе текучей среды в виде суспензии через отверстие 21 для пробки, пробка 30 будет застревать внутри отверстия 21 для пробки, как показано на фиг.6. Поскольку пробка 30 застревает внутри отверстия 21 для пробки, ее выход из контакта со стенками отверстия 21 для пробки становится менее вероятным даже в том случае, когда давление текучей среды выравнивается от края до края отверстия 21 для пробки.
Инструмент 20 для улавливания пробок прикреплен к нижней части основной обсадной колонны 11 и может быть сцентрирован с помощью жестких лопастей для центрирования (не показанных). В одном варианте осуществления изобретения инструмент 20 для улавливания пробок выполнен из того же материала, что и основная обсадная колонна 11, с такими же величинами наружного диаметра и внутреннего диаметра. Для изготовления инструмента 20 для улавливания пробок могут быть использованы альтернативные материалы, такие как сталь, композиты, чугун, пластик и алюминий, при условии, что конструкция будет обладать выносливостью, чтобы выдерживать процедуру спуска и условия окружающей среды в стволе скважины. В боковой стороне инструмента 20 для улавливания пробок насквозь просверлены отверстия 21 для пробок, которые создают возможность прохода текучей среды из основного кольцевого пространства 14, через инструмент 20 для улавливания пробок и в основную обсадную колонну 11. Отверстия 21 для пробок могут быть распределены в виде любого рисунка или с любыми интервалами по всему инструменту 20 для улавливания пробок. В одном варианте осуществления изобретения шестьдесят три отверстия 21 для пробок просверлены на длине инструмента 20 для улавливания пробок, составляющей 18 дюймов. В альтернативном варианте осуществления двести двадцать пять отверстий 21 для пробок просверлены на длине инструмента 20 для улавливания пробок, составляющей 24 дюйма. В обоих данных вариантах осуществления отверстия для пробок имеют диаметр 0,3 дюйма. В большинстве вариантов осуществления изобретения количество отверстий 21 для пробок связано с площадью поперечного сечения внутреннего пространства основной обсадной колонны 11, чтобы обеспечить превышение совокупной площади сечения отверстий 21 для пробок над площадью поперечного сечения внутреннего пространства основной обсадной колонны 11. Если плотность отверстий 21 для пробок будет слишком большой, может возникнуть угроза для конструктивной целостности инструмента 20 для улавливания пробок. Однако, если отверстия 21 для пробок слишком "разбросаны", т.е. находятся на слишком больших расстояниях друг от друга, инструмент 20 для улавливания пробок может иметь нежелательно большой объем соединения с башмаком.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения пробки 30 имеют наружный диаметр 0,375 дюйма, так что пробки 30 могут пройти через кольцевой зазор между соединительной муфтой обсадной колонны и стенкой ствола скважины (например, 6,33 дюйма × 5 дюймов). Однако в большинстве вариантов осуществления наружный диаметр пробки 30 является достаточно большим для перекрытия отверстий 21 для пробок в инструменте 20 для улавливания пробок. Материал пробок 30 может обеспечивать достаточную конструктивную целостность, так что скважинные давления и температуры не вызовут деформирования пробок 30 и прохода их через отверстия 21 для пробок в инструменте 20 для улавливания пробок. Пробки 30 могут быть созданы из пластика, резины, стали, неопренового пластика, стали с резиновым покрытием или любого другого материала, известного специалистам.
Одна методика по настоящему изобретению состоит во встраивании инструмента для улавливания пробок в обсадную колонну между концом обсадной трубы и башмаком обсадной колонны. Обсадную колонну спускают на полную глубину скважины, и кольцевое пространство между обсадной колонной и стенкой ствола изолируют с помощью обычного противовыбросового оборудования для скважин. Скважину готовят для цементирования путем обеспечения циркуляции обычного глинистого бурового раствора в обычном направлении вниз через обсадную колонну и вверх через кольцевое пространство в количестве, равном, по меньшей мере, одному объему ствола скважины, или до тех пор, пока текучая среда в кольцевом пространстве не станет достаточно чистой. Линии нагнетания или трубопроводы соединены с обеими сторонами подвесного хомута для обсадной колонны или оборудования устья скважины. Обратные линии или трубопроводы присоединены к верхней части обсадной колонны и ведут к хранилищу или резервуару для сбора. Расходомер установлен в обратной линии. В этом случае цементный раствор закачивают вниз через кольцевое пространство с заранее заданной скоростью, например, от 1 барреля в минуту до 15 баррелей в минуту. В том смысле, в котором оно используется в данном описании, слово "закачивание" в широком смысле означает поступление раствора в кольцевое пространство. Следует понимать, что очень небольшое давление должно быть приложено к цементному раствору для "закачивания" его вниз через кольцевое пространство, поскольку сила тяжести будет "тянуть" сравнительно плотный цементный раствор в нижнюю часть кольцевого пространства. Комплект пробок вводят в зону переднего края цементного раствора. В зависимости от относительной плотности пробок в сравнении с плотностью раствора скребковое кольцо может быть подано насосом после пробок для гарантирования того, что они останутся на переднем крае раствора при подаче их насосом вниз через кольцевое пространство. Осуществляют текущий контроль обратного потока из обсадной колонны. Как только пробки опустятся и перекроют отверстия для пробок в инструменте для улавливания пробок, скорость обратного потока уменьшится, как покажет расходомер. Обсадную колонну спускают на подвесном хомуте для обсадной колонны или с помощью оборудования устья скважины, и операцию цементирования завершают. Данный процесс описан более подробно ниже со ссылкой на чертежи.
Поскольку процесс с обратной циркуляцией цементного раствора по настоящему изобретению предусматривает закачивание цементного раствора непосредственно вниз через кольцевое пространство, а не закачивание его вверх через кольцевое пространство от башмака обсадной колонны, изобретение не требует пошагового выполнения операций, связанных с подъемом плотного цементного раствора в кольцевом пространстве между обсадной колонной и стенкой ствола скважины с помощью находящегося на поверхности оборудования для закачивания под высоким давлением. При использовании данного способа используется только насос для перемещения цементного раствора из устройства для смешивания или удерживания раствора к скважине. Для данной цели может быть использован насос низкого давления, такой как центробежный насос. Поскольку в соответствии с данным изобретением могут быть использованы насосы и нагнетательные трубопроводы низкого давления, безопасность присуща самой системе. Отсутствует необходимость удостоверяться в том, что насосы и нагнетательные трубопроводы будут работать надежно и безопасно при сравнительно более высоких давлениях.
Как показано на фиг.1, центробежный насос 60 может быть использован для закачивания цементного раствора из устройства 61 для смешивания раствора в основное кольцевое пространство 14. Один или несколько центробежных насосов 6-4 (всасывающее отверстие диаметром шесть дюймов - нагнетательное отверстие диаметром четыре дюйма), которые работают при давлениях от приблизительно 40 фунтов на кв. дюйм до приблизительно 80 фунтов на кв. дюйм, могут быть использованы для закачивания цементного раствора из устройства 60 для смешивания раствора в скважину. Два или более центробежных насосов могут быть соединены последовательно для создания давления нагнетания, составляющего приблизительно 160 фунтов на кв. дюйм или более. Данное давление может потребоваться при закачивании переднего края цементного раствора в основное кольцевое пространство 14. Затем давление может быть уменьшено по мере того, как большее количество цементного раствора будет поступать в основное кольцевое пространство 14. Сила тяжести, действующая на относительно тяжелый цементный раствор, будет стремиться "тянуть" цементный раствор вниз через основное кольцевое пространство 14, так что потребуется меньшее давление нагнетания.
На фиг.7 показан вид сбоку ствола 1 скважины. Оборудование, показанное здесь, аналогично оборудованию, указанному со ссылкой на фиг.1. На фиг.7 проиллюстрировано множество пробок 30, которые были введены в линию 10 нагнетания впереди цементного раствора 13. Пробки 30 и цементный раствор 13 поступают из линии 10 нагнетания в основное кольцевое пространство 14, образованное между основной обсадной колонной 11 и кондукторной обсадной колонной 2. Пробки 30 и цементный раствор 13 проходят вниз через основное кольцевое пространство 14 от линии 10 нагнетания к инструменту 20 для улавливания пробок у нижней части основной обсадной колонны 11. Промывочная жидкость возвращается через отверстия 21 для пробок инструмента 20 для улавливания пробок вверх по основной обсадной колонне 11 и наружу по обратной линии 9. Скорость потока (расход) промывочной жидкости, проходящей по обратной линии 9, контролируют с помощью расходомера 6 для обсадной колонны.
Фиг.8 представляет собой вид сбоку ствола 1 скважины, показанного на фиг.7. На данной фигуре пробки 30 и цементный раствор 13 продвинулись вниз через основное кольцевое пространство 14 до того места, где пробки 30 находятся непосредственно над инструментом 20 для улавливания пробок. Когда цементный раствор 13 поступает вниз через основное кольцевое пространство 14, промывочная жидкость выходит через отверстия 21 для пробок и поднимается вверх через внутреннее пространство основной обсадной колонны 11. Возвратная жидкость, выходящая из скважины, отводится из основной обсадной колонны 11 посредством переходного ниппеля 8 и обратной линии 9. Поскольку пробки 30 еще не вошли в контакт со стенками отверстий 21 для пробок, расходомер 6 для обсадной колонны не обнаруживает никакого изменения скорости потока.
На фиг.9 проиллюстрирован вид сбоку ствола 1 скважины, показанного на фиг.7 и 8. На данной фигуре видно, что пробки 30 прошли вниз через основное кольцевое пространство 14 до инструмента 20 для улавливания пробок. Когда промывочная жидкость и/или цементный раствор 13, в котором суспендированы пробки 30, втягивается через отверстия 21 для пробок в инструменте 20 для улавливания пробок, пробки 30 втягиваются в отверстия 21 для пробок. Отдельные пробки 30 входят в контакт со стенками отдельных отверстий 21 для пробок. Когда пробки 30 войдут в контакт со стенками отверстий 21 для пробок в верхней части инструмента 20 для улавливания пробок, или когда указанные отверстия 21 для пробок окажутся закупоренными данными пробками 30, тогда обеспечивается возможность прохода промывочной жидкости и/или цементного раствора 13 только через оставшиеся открытые отверстия 21 для пробок, находящиеся дальше, внизу инструмента 20 для улавливания пробок. Данный поток вызывает перемещение дополнительных пробок 30 дальше вниз, к нижней части инструмента 20 для улавливания пробок, где пробки входят в контакт со стенками оставшихся отверстий 21 для пробок. Данный процесс продолжается до тех пор, пока пробки 30 не войдут в контакт со стенками всех или почти всех из отверстий 21 для пробок. Когда существенное количество пробок 30 войдет в контакт со стенками отверстий 21 для пробок, на расходомере 6 для обсадной колонны можно будет заметить уменьшение скорости потока промывочной жидкости. Кроме того, на манометре 4 для определения давления в кольцевом пространстве можно будет заметить увеличение давления в кольцевом пространстве. С помощью этих наблюдений оператор сможет понять, что цементный раствор 13 достиг нижней части основного кольцевого пространства 14. Оператор прекращает подачу потока текучей среды в линию 10 нагнетания. Затем основную обсадную колонну 11 устанавливают в расположенном на поверхности подвесном хомуте для обсадной колонны или с помощью оборудования устья скважины (на определенную глубину) и завершают операцию цементирования. В некоторых вариантах осуществления изобретения желательно, чтобы пробки 30 оставались в контакте со стенками отверстий 21 для пробок для удерживания цементного раствора 13 в основном кольцевом пространстве 14 затвердевания цементного раствора 13. Отверстия 21 для пробок, описанные со ссылкой на фиг.4 и 6, являются особенно пригодными для данной цели. Пробки 30, которые являются нейтрально плавающими в промывочной жидкости и/или цементном растворе 13, также стремятся остаться в контакте со стенками отверстий 21 для пробок, когда цементный раствор 13 затвердевает.
В соответствии с альтернативной методикой по изобретению пробки 30 используются для того, чтобы сначала определить динамический объем кольцевого пространства до закачивания цементного раствора 13 в основное кольцевое пространство 14. После того как основное кольцевое пространство 14 будет очищено в достаточной степени, пробки 30 вводят в линию 10 нагнетания, откуда они поступают в основное кольцевое пространство 14. Промывочную жидкость, а не цементный раствор, закачивают вниз через основное кольцевое пространство 14 после пробок 30. Осуществляется обратная промывка промывочной жидкостью с проходом ее вниз через основное кольцевое пространство 14 и вверх через внутреннее пространство основной обсадной колонны 11. От того момента, когда пробки 30 вводят в линию 10 нагнетания, до того момента, когда пробки 30 достигнут инструмента 20 для улавливания пробок, наблюдают за показаниями расходомера 5 для кольцевого пространства и расходомера 6 для обсадной колонны для определения динамического объема кольцевого пространства. Когда пробки 30 войдут в контакт со стенками отверстий 21 для пробок инструмента 20 для улавливания пробок, они закупоривают некоторые или все из отверстий 21 для пробок инструмента 20 для улавливания пробок, что обеспечивает предупреждение оператора о том, что пробки 30 достигли инструмента 20 для улавливания пробок. После определения оператором динамического объема кольцевого пространства нежелательно далее сохранять ситуацию, при которой пробки 30 входят в контакт со стенками отверстий 21 для пробок инструмента 20 для улавливания пробок. В этом случае оператор прекращает подачу потока текучей среды и обеспечивает уравновешивание давления между внутренним пространством инструмента 20 для улавливания пробок и основным кольцевым пространством 14 для обеспечения застаивания текучей среды вблизи инструмента 20. В данном варианте осуществления изобретения плотность пробок 30 немного выше плотности промывочной жидкости. Поскольку пробки 30 являются несколько более плотными по сравнению с текучей средой, пробки 30 выходят из контакта со стенками отверстий 21 для пробок и погружаются в заторможенной промывочной жидкости к забою опережающей скважины 15 малого диаметра (фиг.1). После того как динамический объем кольцевого пространства будет определен и инструмент 20 для улавливания пробок будет очищен от пробок 30, оператор осуществляет смешивание некоторого объема цементного раствора 13, равного динамическому объему кольцевого пространства или немного превышающего динамический объем кольцевого пространства. Затем цементный раствор 13 вводят в линию 10 нагнетания по мере того, как промывочная жидкость выдавливается впереди цементного раствора 13 вниз через основное кольцевое пространство 14, через отверстия 21 для пробок и вверх через внутреннее пространство основной обсадной колонны 11 и наружу по обратной линии 9. Когда заранее заданный объем цементного раствора 13 будет закачан в основное кольцевое пространство 14, операции закачивания прекращают. В одном варианте осуществления изобретения клапан с подвижной гильзой закрывают затем вблизи инструмента 20 для улавливания пробок с целью удерживания цементного раствора 13 в основном кольцевом пространстве 14. Основную обсадную колонну 11 устанавливают в расположенном на поверхности подвесном хомуте для обсадной колонны или с помощью оборудования устья скважины (на определенную глубину), и завершают операцию цементирования.
В зависимости от варианта осуществления изобретения может быть использовано большее количество пробок 30 по сравнению с количеством отверстий 21 для пробок в инструменте 20 для улавливания пробок. В одном варианте осуществления изобретения количество пробок 30 в цементном растворе 13 составляет приблизительно 150% по отношению к количеству отверстий 21 для пробок в инструменте 20 для улавливания пробок. Данное избыточное количество пробок 30 по сравнению с количеством отверстий 21 для пробок гарантирует то, что отверстия 21 для пробок в инструменте 20 для улавливания пробок будут закрыты достаточным количеством пробок 30 приблизительно в одно и то же время. Это может быть полезным в тех вариантах осуществления, в которых пробки 30 вводят у переднего края цементного раствора 13, и это служит для того, чтобы пробки 30 обеспечивали удерживание цементного раствора 13 в основном кольцевом пространстве 14 и при этом не допускали поступления цементного раствора 13 во внутреннее пространство основной обсадной колонны 11.
В других вариантах осуществления изобретения используется значительно меньшее количество пробок 30 (составляющее 50% от количества отверстий 21 для пробок) для закрытия или закупоривания только части отверстий 21 для пробок. Когда только часть отверстий 21 для пробок будет закрыта или закупорена, оператор может все же наблюдать изменение потока текучей среды через ствол скважины или изменение давления в кольцевом пространстве с тем, чтобы узнать о том, что пробки 30 достигли инструмента 20 для улавливания пробок. Однако инструмент 20 для улавливания пробок остается открытым за счет тех отверстий 21 для пробок, которые не были закрыты или закупорены пробками 30. Меньшее количество пробок 30 может использоваться в том случае, когда желательно рассчитать динамический объем кольцевого пространства до закачивания цементного раствора 13 в основное кольцевое пространство 14. Поскольку только часть отверстий 21 для пробок будет закупорена, может отсутствовать необходимость в обеспечении возможности выхода пробок 30 из контакта со стенками отверстий 21 для пробок перед закачиванием цементного раствора 13 в основное кольцевое пространство 14.
Как отмечено выше, некоторые варианты осуществления изобретения включают в себя конечное запорное устройство, такое как клапан с подвижной гильзой или шаровой клапан, предназначенное для постоянного закрытия отверстий 21 для пробок в инструменте 20 для улавливания пробок. На фиг.15А и 15В проиллюстрирован клапан 40 с подвижной гильзой, предназначенный для закрытия инструмента 20 для улавливания пробок незадолго до конца операции цементирования. Клапан 40 показан в открытой конфигурации на фиг.15А и в закрытой конфигурации на фиг.15В. Клапан 40 имеет изолирующую гильзу 41, которая прикреплена к инструменту 20 для улавливания пробок выше и ниже отверстий 21 для пробок. Изолирующая гильза 41 имеет отверстие 42, которое создает возможность сообщения по текучей среде через изолирующую гильзу 41. Подвижная гильза 43 установлена концентрически на изолирующей гильзе 41. В открытой конфигурации подвижная гильза 43 смещена от отверстия 42 для обеспечения возможности сообщения по текучей среде через отверстие 42. В закрытой конфигурации подвижная гильза 43 закрывает отверстие 42 для полного закрытия клапана 40. Уплотнения 44 расположены в выемках подвижной гильзы 43 для обеспечения целостности клапана 40. В различных вариантах осуществления изобретения изолирующая гильза 41 может быть расположена или с внутренней стороны, или с наружной стороны инструмента 20 для улавливания пробок. Кроме того, подвижная гильза 43 может быть расположена между изолирующей гильзой 41 и инструментом 20 для улавливания пробок. Подвижная гильза 43 может быть приведена в движение с помощью любых средств, известных специалистам, например приведения в движения за счет приложения давления, механического манипулирования и т.д. В одном варианте осуществления изобретения клапан 40 приводится в действие за счет увеличения давления текучей среды в основном кольцевом пространстве 14 по сравнению с давлением текучей среды внутри основной обсадной колонны 11. Таким образом, когда во время операции цементирования пробки 30 войдут в контакт со стенками отверстий 21 для пробок, обусловленное этим повышение относительного давления в кольцевом пространстве будет достаточным для обеспечения закрытия клапана 40.
На фиг.16А и 16В проиллюстрирован альтернативный клапан 40 соответственно в открытой и закрытой конфигурациях. Клапан 40 имеет подвижную гильзу 43, которая прикреплена концентрически непосредственно к инструменту 20 для улавливания пробок. Подвижная гильза 43 имеет достаточную длину для закрытия всех отверстий 21 для пробок одновременно. Подвижная гильза 43 имеет уплотнения 44 в выемках для гарантирования целостности клапана 40. Подвижная гильза 43 может находиться или с внутренней стороны, или с наружной стороны инструмента 20 для улавливания пробок. Как и в ранее описанном варианте, данный клапан 40 может быть открыт и закрыт с помощью любых средств, известных специалистам, включая приведение в действие за счет приложения давления, механическое манипулирование и т.д.
На фиг.10-14 проиллюстрирован вариант осуществления изобретения, предназначенный для цементирования дополнительной обсадной колонны 16. Основная обсадная колонна 11 уже зацементирована в стволе 1 скважины. Далее, башмак 12 основной обсадной колонны 11 выбуривают, и ствол 1 скважины удлиняют в зону ниже основной обсадной колонны 11. Верхнюю часть основной обсадной колонны 11 модифицируют для создания возможности сообщения между линией 10 нагнетания и внутренним пространством основной обсадной колонны 11. Подвесной хомут 17 для обсадной колонны устанавливают в нижней части основной обсадной колонны 11 для приема дополнительной обсадной колонны 16. Дополнительную обсадную колонну 16 спускают в ствол 1 скважины на колонне 18 труб, при этом дополнительная обсадная колонна 16 прикреплена к колонне 18 труб с помощью освобождающего инструмента 19. Таким образом, кольцевое пространство 50 между трубами и обсадной колонной образуется между колонной 18 труб и основной обсадной колонной 11. Дополнительное кольцевое пространство 51 образуется между дополнительной обсадной колонной 16 и стенкой ствола 1 скважины. Подвесной хомут 17 для обсадной колонны имеет сквозные каналы для текучей среды, которые создают возможность сообщения по текучей среде между кольцевым пространством 50 между трубами и обсадной колонной и дополнительным кольцевым пространством 51. Дополнительная обсадная колонна 16 имеет инструмент 20 для улавливания пробок, прикрепленный к ее нижнему концу. Инструмент 20 для улавливания пробок имеет отверстия 21 для пробок в боковых стенках инструмента и башмак 12 обсадной колонны, прикрепленный к концу инструмента.
На фиг.11-14 проиллюстрирован способ цементирования дополнительной обсадной колонны 16, показанной на фиг.10. После того как дополнительное кольцевое пространство 51 будет очищено в достаточной степени, пробки 30 вводят в линию 10 нагнетания. Осуществляется обратная промывка промывочной жидкостью с проходом ее вниз через кольцевое пространство 50 между трубами и обсадной колонной, через подвесной хомут 17 для обсадной колонны, вниз через дополнительное кольцевое пространство 51, через отверстия 21 для пробок, вверх через дополнительную обсадную колонну 16, вверх по колонне 18 труб и наружу по обратной линии 9.
Первая операция заключается в определении динамического объема дополнительного кольцевого пространства 51. Динамический объем кольцевого пространства определяют путем наблюдения за показаниями расходомера 5 для кольцевого пространства и/или расходомера 6 для обсадной колонны при подаче насосом пробок 30 из линии 10 нагнетания вниз через кольцевое пространство 50 между трубами и обсадной колонной до достижения пробками 30 инструмента 20 для улавливания пробок, как показано на фиг.12. Когда достаточное количество пробок 30 войдет в контакт со стенками отверстий 21 для пробок инструмента 20 для улавливания пробок, оператор будет наблюдать уменьшение скорости потока через расходомер 6 для обсадной колонны и/или увеличение давления в кольцевом пространстве на манометре 4 для кольцевого пространства. В этом случае динамический объем кольцевого пространства может быть рассчитан путем определения объема текучей среды в кольцевом пространстве 50 между трубами и обсадной колонной, исходя из известных размеров. В частности, поскольку внутренний диаметр и длина основной обсадной колонны 11 известны и наружный диаметр и длина колонны 18 труб известны, объем кольцевого пространства 50 между трубами и обсадной колонной представляет собой объем внутреннего пространства обсадной колонны 11 за вычетом наружного объема колонны 18 труб. После того как станет известным объем кольцевого пространства 50 между трубами и обсадной колонной, определяют динамический объем дополнительного кольцевого пространства 51 путем вычитания объема кольцевого пространства 50 между трубами и обсадной колонной из общего объема, необходимого для подачи насосом пробок 30 из линии 10 нагнетания к инструменту 20 для улавливания пробок. При известном динамическом объеме дополнительного кольцевого пространства 51 уравновешивают давление текучей среды во внутреннем пространстве инструмента 20 для улавливания пробок и в пространстве, наружном по отношению к данному инструменту, и создают возможность застаивания текучей среды. Пробки 30, используемые в данном конкретном варианте осуществления изобретения, являются немного более плотными по сравнению с промывочной жидкостью. Пробки 30 выходят из контакта со стенками отверстий 21 для пробок и падают в заторможенной промывочной жидкости к забою опережающей скважины 15 малого диаметра, как показано на фиг.13. После прохождения достаточного времени для того, чтобы пробки 30 могли осесть в забое опережающей скважины 15 малого диаметра, второй комплект пробок 30 вводят в линию 10 нагнетания впереди цементного раствора 13. Объем цементного раствора 13, равный значению динамического объема кольцевого пространства для дополнительного кольцевого пространства 51, закачивают после второго комплекта пробок 30 вниз через кольцевое пространство 50 между трубами и обсадной колонной, через подвесной хомут 17 для обсадной колонны и в дополнительное кольцевое пространство 51. Когда второй комплект пробок 30 достигнет инструмента 20 для улавливания пробок, весь объем цементного раствора 13 закачивают в дополнительное кольцевое пространство 51. Само собой разумеется, определенный объем промывочной жидкости закачивают после цементного раствора 13 для нагнетания цементного раствора 13 вниз в дополнительное кольцевое пространство 51. Когда размещение цемента будет завершено, инструмент 20 для улавливания пробок может быть постоянно закрыт, или может быть создана возможность удерживания цементного раствора 13 в дополнительном кольцевом пространстве 51 с помощью пробок 30 до затвердевания цементного раствора 13. Дополнительная обсадная колонна 16 подвешена в подвесном хомуте 17 для обсадной колонны. Освобождающим инструментом 19 управляют вручную для отсоединения освобождающего инструмента 19 от дополнительной обсадной колонны 16, и освобождающий инструмент 19 извлекают из ствола 1 скважины вместе с колонной 18 труб, как показано на фиг.14.
Поскольку пробки 30 по настоящему изобретению закупоривают отверстия 21 для пробок в инструменте 20 для улавливания пробок до того, как будет создана возможность поступления значительного объема цементного раствора 13 в обсадную колонну, операция цементирования будет завершена без непреднамеренного размещения значительных масс цементного раствора 12 в обсадной колонне. Поскольку внутреннее пространство обсадной колонны остается относительно свободным от цемента, дополнительные скважинные операции могут быть выполнены в скважине немедленно без выбуривания нежелательного цемента в обсадной колонне.
Следовательно, настоящее изобретение хорошо приспособлено для выполнения задач и достижения указанных целей и преимуществ, а также тех, которые присущи данному изобретению. Хотя многочисленные изменения могут быть выполнены специалистами в данной области техники, подобные изменения находятся в пределах сущности данного изобретения в том виде, как она определена приложенной формулой изобретения.