СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИНЫ ИЛИ ТРУБОПРОВОДА
PROCEDURE AND DEVICE FOR CEMENTING BOREHOLE OR PIPELINE

Объектами настоящего изобретения являются способ и устройство цементирования скважины или трубопровода, например обсадной трубы, содержащей участок, предназначенный для обработки с целью его герметизации, в частности предназначенный для ремонта и/или закупоривания.
В частности, но не ограничительно, изобретение применяется в области нефтедобычи.
Обсадная труба является металлической трубой, часто называемой английским термином «casing», которая покрывает внутреннюю поверхность нефтяной скважины на большой длине.
Например, эта длина составляет от 2000 до 4500 метров, тогда как внутренний диаметр находится в пределах от 120 до 200 миллиметров.
В нижней части обсадная труба содержит отверстия на уровне пластов, которые она пересекает, для пропускания нефти или углеводорода в виде газа.
В верхней части скважины находится устье скважины, оборудованное различными системами, в частности системами защиты, подвески и герметизации.
На большей части длины верхней части скважины, например от 1500 до 400 метров, обсадная труба содержит внутри оборудование для заканчивания скважины, содержащее трубу и различные устройства, предназначенные для эксплуатации скважины, например такие, как временные затворы или предохранительные задвижки.
Со временем участок стенки обсадной трубы требует герметизации, в частности при ее повреждении, например в результате преждевременного износа и/или появления трещин, или когда отверстия, предназначенные для пропускания нефти, необходимо закупорить, в частности по причине истощения пласта в этой зоне, или когда нежелательные текучие вещества (в частности, вода или газ) могут пройти через стенку обсадной трубы и попасть внутрь нее.
Для этого указанный участок обрабатывают, покрывая его изнутри защитным материалом, в частности цементом, гелем или композитным материалом на основе полимеризующейся смолы.
Для осуществления этой обработки можно применять две разные технологии:
- либо сначала извлекают оборудование для закачивания скважины и получают, таким образом, прямой доступ к предназначенному для обработки участку обсадной трубы,
- либо инструменты и материалы, служащие для цементирования, пропускают через оборудование для закачивания скважины.
Первая технология является трудоемкой и дорогостоящей и может привести к нарушениям процесса эксплуатации, в частности поскольку необходимо полностью нейтрализовать скважину перед любым вмешательством.
Вторая технология является сложной, дорогостоящей и может быть использована только для определенного ограниченного числа конфигураций, поскольку, как правило, оборудование для закачивания имеет значительно меньший диаметр, чем нижняя зона обсадной трубы, в которой находится предназначенный для обработки участок.
В частности, как правило, при этой технологии выполнение покрытия из цемента не представляется возможным.
Настоящее изобретение призвано устранить эти недостатки и предлагает для этого способ и устройство, которые позволяют цементировать нижнюю зону обсадной трубы с прохождением через оборудование для закачивания меньшего диаметра.
Настоящее изобретение можно применять не только для описанной выше обсадной трубы, но также для любой скважины, пробуренной в земле, или для любого трубопровода, заглубленного в землю или нет, поэтому в описании и в следующей за ним формуле изобретения упоминается цементирование скважины или трубопровода, причем последний может быть обсадной трубой или другой трубой, как вертикальной, так и горизонтальной или наклонной.
В связи с этим объектом настоящего изобретения является способ цементирования скважины или трубопровода, например обсадной трубы, содержащей участок, предназначенный для обработки, в частности для ремонта и/или закупоривания.
Согласно этому способу:
а) внутрь скважины или трубопровода вводят трубчатую оправку, вокруг которой установлена накачиваемая мембрана, тоже трубчатая, выполненная из гибкого и эластичного материала, растягивающаяся в радиальном направлении под действием внутреннего давления, и эту систему позиционируют напротив предназначенного для цементирования участка;
б) внутрь мембраны закачивают текучую среду под давлением и мембрану накачивают таким образом, чтобы, с одной стороны, ее концевые зоны значительно расширились в радиальном направлении, образуя кольцевые валики, плотно прижимающиеся к стенке скважины или трубопровода по обе стороны от цементируемого участка, и чтобы, с другой стороны, ее зона, называемая средней зоной, находящаяся между концевыми зонами, тоже расширилась в радиальном направлении, но с меньшей амплитудой, таким образом, чтобы между этой средней зоной и цементируемым участком стенки оставалось кольцевое пространство;
в) сохраняя мембрану в накачанном состоянии, внутрь этого кольцевого пространства нагнетают жидкий, но затвердевающий цемент;
г) цементу дают время схватиться, чтобы он образовал твердый полый цилиндр, покрывающий изнутри указанный участок стенки скважины или трубопровода;
д) трубчатую мембрану спускают;
е) из скважины или трубопровода извлекают систему, состоящую из оправки и спущенной мембраны.
Являющееся также объектом настоящего изобретения устройство для цементирования скважины или трубопровода, например обсадной трубы, содержащей участок, предназначенный для обработки, в частности для ремонта и/или закупоривания, характеризуется тем, что содержит систему, предназначенную для введения внутрь скважины или трубопровода и для позиционирования напротив цементируемого участка, при этом система состоит из трубчатой оправки и тоже трубчатой накачиваемой мембраны, которая охватывает эту оправку, и стенка которой выполнена из гибкого и эластичного материала, растягивающегося в радиальном направлении под действием внутреннего давления, при этом предусмотрены средства для нагнетания внутрь указанной мембраны текучей среды под давлением для ее накачивания, и тем, что концевые зоны указанной мембраны могут значительно расширяться в радиальном направлении таким образом, чтобы образовать кольцевые валики, плотно прижимающиеся к стенке скважины или трубопровода по обе стороны от цементируемого участка, и чтобы, с другой стороны, ее зона, называемая средней зоной, находящаяся между концевыми зонами, тоже расширилась в радиальном направлении, но с меньшей амплитудой, таким образом, чтобы между этой средней зоной и цементируемым участком стенки оставалось кольцевое пространство, при этом устройство дополнительно содержит средства для нагнетания внутрь этого кольцевого пространства жидкого, но затвердевающего цемента, пока мембрана остается накачанной, и средства для уменьшения давления в этой мембране после схватывания цемента.
Кроме того, это устройство может содержать некоторые другие предпочтительные, но не ограничительные отличительные признаки:
- указанную мембрану неподвижно соединяют с указанной оправкой кольцевой частью, называемой крепежной частью, которая не растягивается в радиальном направлении и находится внутри указанной средней зоны, тогда как ее концевые зоны крепят к подвижным кольцам, герметично направляемым в поступательном движении на оправке и выполненным с возможностью скольжения на этой оправке в результате накачивания или спускания указанной мембраны;
- средняя зона указанной мембраны оборудована средствами, выполненными с возможностью ограничения ее радиального растягивания до заранее определенного максимального диаметра;
- указанная мембрана усилена арматурой, содержащей, по меньшей мере, один слой кордов, нитей или волокон, намотанный спиралевидно по отношению к ее продольной центральной оси;
- в указанной средней зоне первоначальный угол, который образуют указанные корды, нити или волокна тангенциально по отношению к продольной центральной оси мембраны, является таким, чтобы после накачивания диаметр мембраны имел заранее определенное заданное значение, когда этот угол достигает значения порядка 54°;
- переход между крепежной частью мембраны и участками средней зоны ограниченного радиального растяжения происходит через участки, называемые «смежными с крепежной частью», выполненные с возможностью деформироваться под действием накачивания таким образом, чтобы располагаться в плоскостях, по существу перпендикулярных к продольной центральной оси мембраны;
- первоначальные углы наклона (перед накачиванием мембраны) кордов, нитей или волокон по отношению к продольной центральной оси мембраны имеют следующие приблизительные значения:
- порядка 18-25° в концевых зонах мембраны;
- порядка 35-45° в ее средней зоне, кроме участков, смежных с крепежной частью;
- 0° в участках, смежных с крепежной частью;
- указанную мембрану усиливают арматурой, содержащей несколько слоев нитей или волокон, намотанных спиралевидно по отношению к ее продольной центральной оси, при этом направления наматывания двух находящихся друг над другом слоев меняются на противоположные;
- участки, смежные с крепежной частью, содержат канавки, при этом каждый из этих участков содержит, по меньшей мере, одну канавку, выполненную в осевом продолжении аналогичной канавки, выполненной в другом участке, чтобы после накачивания мембраны они образовали канал нагнетания цемента, при этом указанное нагнетание осуществляют через, по меньшей мере, одно отверстие питания, проходящее через трубчатую оправку и крепежную часть, через соответствующий клапан;
- в стенке оправки выполнены отверстия подачи текучей среды для накачивания, которые выходят внутрь мембраны между указанными подвижными кольцами и указанной крепежной частью;
- снаружи стенки мембраны на уровне ее концевых зон выполнены канавки для удаления текучей среды, находящейся в скважине или в трубопроводе во время накачивания;
- указанную мембрану покрывают тонкостенным чехлом из гибкого и эластичного материала, который прижимается к цементируемому участку стенки, когда цемент нагнетают в кольцевое пространство, остающееся между средней зоной мембраны и цементируемым участком стенки;
- указанный чехол выполнен с возможностью накачивания с увеличением объема в направлении его толщины, когда он находится в контакте с жидкостью, присутствующей в скважине или трубопроводе, чтобы обеспечивать хорошую герметичность по отношению к герметизируемой зоне скважины;
- устройство содержит средства, предназначенные для того, чтобы один из двух концевых кольцевых валиков прижимался к стенке скважины или трубопровода раньше другого концевого валика.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 и 2 - схематичный вид в осевом разрезе части нефтяной скважины соответственно до и после цементирования поврежденного участка;
фиг.3 и 4 - схематичный вид соответственно в осевом разрезе и спереди устройства в соответствии с настоящим изобретением в ненакачанном виде;
фиг.5 - вид этого же устройства после накачивания, при этом верхняя часть показана в осевом полуразрезе, а нижняя часть показана спереди;
фиг.6 - схема этого же устройства, показывающая направления нитей или волокон арматуры мембраны до (верхняя часть) и после (нижняя часть) накачивания;
фиг.7 - вид в поперечном разрезе устройства на уровне плоскости VI-VI фиг.5;
фиг.8А и 8В - схемы изменения направления нитей или волокон двух смежных слоев в результате накачивания;
фиг.9-14 - различные этапы способа. На этих фигурах продольная ось скважины или трубопровода (и соответственно устройства) показана горизонтально для простоты размещения чертежей на страницах; естественно, эта ось может быть вертикальной, как на фиг.1 и 2.
На фиг.1 показана часть нефтяной скважины, оборудованной обсадной трубой С, содержащей цилиндрическую стенку с вертикальной осью Х-Х′. Участок Z этой обсадной трубы имеет, например, отверстия р, пропускающие воду, которые необходимо заделать путем цементирования.
0
Буквенной позицией ЕС обозначено оборудование для закачивания, которое удерживается на месте кольцевым элементом центровки А и внутренний диаметр d которого существенно меньше, чем диаметр D обсадной трубы.
0
Например, диаметр d равен примерно 69 мм, тогда как диаметр D равен примерно 155 мм.
На фиг.2 показана та же часть скважины после выполнения цементного покрытия GC на участке Z.
Чтобы не нарушать процесс эксплуатации скважины, необходимо, чтобы внутренний диаметр D этого покрытия превышал d.
Вполне понятно, что такое выполнение покрытия представляет трудность, так как его осуществляют через оборудование ЕС для закачивания.
Настоящее изобретение облегчает эту операцию, что будет описано ниже.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением, показанное на фиг.3-7, в основном содержит цилиндрическую трубчатую оправку 1 с осью Х-Х′, например, из стали, покрытую аналогичной цилиндрической мембраной 2 в виде муфты из гибкого и эластичного материала, обладающего сопротивлением давлению и коррозионной стойкостью, например из каучука или эластомера.
В состоянии покоя (фиг.3 и 4) мембрана охватывает оправку без зазора и даже слегка ее обжимает.
Оправка имеет закрытый свободный конец 100.
Показан только конец оправки, на котором находится мембрана. Эту оправку устанавливают на конце штанги большой длины (на фиг.3 и 4 показана справа), которая проходит в трубе оборудования ЕС для закачивания и соединяется с устьем скважины.
Диаметр по габариту системы, состоящей из оправки и мембраны, немного меньше внутреннего диаметра d оборудования ЕС для закачивания, поэтому система может проходить через это оборудование в осевом направлении.
Ее длину выбирают в зависимости от длины обрабатываемой зоны Z; например она составляет несколько метров.
В концевых зонах 20а, 20b мембраны 2 ее крепят, например, при помощи клея к кольцам 4а, соответственно 4b, направляемым в осевом поступательном движении на оправке 1.
В показанном варианте выполнения между концевыми зонами 20а, 20b и по существу ближе к зоне 20b, чем к зоне 20а, вокруг оправки непосредственно крепят зону 21 мембраны тонкой кольцевой частью небольшой длины, называемой крепежной частью. Это крепление осуществляют, например, при помощи небольшого стяжного кольца (не показано), введенного в мембрану, и дополнительно при помощи клея.
Зона 21 в продольном направлении содержит канавки; в показанном примере предусмотрены четыре идентичные канавки 6, отстоящие на 90° относительно оси Х-Х′ и имеющие полукруглое поперечное сечение.
Их центр находится на уровне вышеупомянутой крепежной части, откуда отходят соответственно «полуканавки», обозначенные 6а и 6b.
На уровне крепежной части оправка содержит четыре радиальных отверстия 10, каждое из которых выходит через соответствующие отверстия 60, выполненные в стенке мембраны, в центр канавки 6.
На определенной длине, обозначенной Ра, Pb на фиг.4, со стороны каждой зоны 20а, соответственно 20b соединения мембраны с кольцами 4а и 4b трубчатая мембрана выполнена, как будет пояснено ниже, с возможностью растягивания в радиальном направлении с относительно большой амплитудой под действием внутреннего давления.
С одной стороны (на чертеже справа) эта зона, которая в целом будет называться «концевой зоной», соединяет зону 20b с зоной 21, длина которой обозначена R.
С другой стороны между зоной 20а и зоной 21 выполнена промежуточная зона, называемая «средней зоной». Эта средняя зона имеет длину Q, по существу равную или слегка превышающую длину предназначенного для цементирования участка.
Концевые зоны содержат периферические канавки 22а, 22b.
С каждой стороны крепежной части мембраны оправка 1 содержит определенное число отверстий 11а и 11b, аналогичных вышеуказанным отверстиям 10.
Открывание и закрывание отверстий 10 и 11а, 11b управляется соответствующими клапанами W, соответственно Va, Vb.
Мембрана 2 частично покрыта чехлом 5 из гибкого и тонкого материала, например из каучука, который соединяет концевые зоны, доходя примерно до середины канавок 22а и 22b (см. фиг.3). Чтобы не загромождать чертеж, на фиг.4-6 этот чехол не показан.
Стенка мембраны 2 усилена внутренней арматурой 3, помещенной внутрь стенки.
Как известно (см., например, документ US 5695008), эта арматура состоит из нескольких концентричных слоев (или полотен), содержащих гибкие нити или волокна, обладающие высоким сопротивлением растяжению, и намотанных в виде спирали.
Направление наматывания двух находящихся друг над другом слоев меняют на противоположное, чтобы мембрана деформировалась равномерно и чтобы, в частности, избегать скручивания.
Во время радиального растяжения мембраны угол наклона касательной к каждому волокну по отношению к продольной оси Х-Х′ постепенно увеличивается и, что тоже известно, может достигать значения равновесия 54°, сверх которого растяжение становится невозможным.
Согласно признаку изобретения угол наматывания волокон или нитей не является одинаковым по всей длине мембраны, как показано на фиг.6.
0
0
В концевых зонах длиной Ра и Pb нити или волокна обозначены 90а, соответственно 90b перед накачиванием и 90′а, соответственно 90′b после накачивания. По отношению к оси Х-Х′ они образуют первоначальный угол, обозначенный соответственно α и γ, относительно небольшой величины. Эту величину определяют с учетом первоначального диаметра мембраны и внутреннего диаметра стенки обсадной трубы, к которой эти зоны должны прижиматься после накачивания.
Таким образом, необходимо, чтобы углы α и соответственно γ после накачивания были меньше предельного угла 54°.
0
0
0
В промежуточной средней зоне длиной Q, где нити или волокна обозначены 91 до накачивания и 91′ после накачивания, угол β должен иметь значение, превышающее значения углов α и γ.
Его значение определяют с учетом первоначального диаметра мембраны и внутреннего диаметра, который должна иметь оболочка из цементного покрытия после операции.
Действительно, радиальное растяжение этой средней зоны должно быть ограничено при накачивании, и угол 54° должен быть достигнут до того, как эта зона прижмется к стенке обсадной трубы, в результате достижения заданной амплитуды растяжения, которая и составит величину калибровки периферического пространства, предназначенного для размещения цемента.
0
0
0
На практике, значение углов α и γ составляет, например, от 18 до 25°, а значение угла β составляет от 35 до 45°.
После накачивания углы α и γ имеют значение порядка 45°, а угол β - значение, близкое к 54°.
В зоне 21 с канавками длиной R, которая расположена по обе стороны от крепежной зоны, волокна или нити арматуры, обозначенные 91а и 9lb, имеют осевое направление и, следовательно, образуют нулевой угол по отношению к оси Х-Х′. Благодаря такому расположению деформация при накачивании этого участка, смежного с крепежной частью, не затрудняется присутствием волокнистой или нитевой арматуры, поэтому в результате накачивания зоны мембраны, находящиеся по обе стороны от крепежной части, располагаются в плоскостях, перпендикулярных к оси Х-Х′, примыкая друг к другу, как показано на фиг.5 и 6.
Таким образом, полуканавки 6а и 6b оказываются друг против друга, образуя радиальный канал 6.
Отверстия 10 соединены при помощи соответствующего трубопровода 80 с источником 9 подачи жидкого, но затвердевающего материала L2, такого как цемент с наполнителем из коротких волокон, и эту подачу можно осуществлять через насос, установленный в устье скважины, или напрямую в скважину из соответствующей емкости.
Аналогично, отверстия 11а и 11b соединены при помощи соответствующего трубопровода 70 с источником подачи под повышенным давлением текучей среды L1, например воды, и эту подачу тоже можно осуществлять через насос, установленный в устье скважины, или напрямую в скважину, используя находящуюся в ней текучую среду. Отверстия 11а и 11b соединены также с источником отсасывания жидкости L1 для спускания мембраны в конце операции.
Далее со ссылками на фиг.9-14 следует описание использования описанного выше устройства для цементирования обсадной трубы при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением.
Как показано на фиг.9, устройство размещают в спущенном состоянии напротив предназначенного для обработки участка Z обсадной трубы С.
После этого мембрану 2 накачивают после подачи сигнала на открывание клапанов Va и Vb (при этом клапан W закрыт) путем нагнетания текучей среды L1 под давлением между мембраной и наружной стенкой оправки 1 через отверстия 11а и 11b, что показано стрелками f1 на фиг.10. Во время накачивания концевые кольца скользят в осевом направлении и приближаются друг к другу (стрелки d1), так как радиальное расширение мембраны приводит к ее осевому укорачиванию.
Предпочтительно предусмотрены соответствующие не показанные средства сдерживания, чтобы одна из зон, образующих валик, например Pb, полностью накачалась раньше другой зоны (например, Ра), чтобы избежать любого заклинивания устройства в продольном направлении во время накачивания.
Эти средства могут быть выполнены, например, в виде хрупких нитей, намотанных вокруг этих зон и разрывающихся при заданном давлении, при этом нити, намотанные вокруг зоны Pb, выполнены с возможностью разрывания раньше, чем нити, окружающие зону Pa.
Другое решение состоит, например, в небольшом смещении по времени питания пространств, внутренних по отношению к этим зонам, дифференцируя открывание клапана Va по отношению к открыванию клапана Vb.
Концевые зоны образуют валики, плотно прижимающиеся к стенке обсадной трубы. На уровне средней зоны, которая растягивается меньше за счет более сильного наклона нитей или волокон арматуры, остается периферическое кольцевое пространство Σ.
На фиг.8А схематично показаны перед накачиванием два «пересекающиеся» ряда волокон или нитей 9.1 и соответственно 9.2, принадлежащие к двум смежным (наложенным друг на друга) слоям арматуры 3, содержащейся в средней зоне.
В конце накачивания, как показано на фиг.8В, эта арматура, обозначенная 3′, деформируется, и наклон нитей 9.1′ и 9.2′ каждого из двух слоев меняется, образуя угол порядка 54° по отношению к оси Х-Х′.
Оба участка, смежных с крепежной частью, расположились в поперечных плоскостях и прижались друг к другу.
Разумеется, сопряжения между различными зонами происходят постепенно благодаря гибкости и эластичности мембраны, а также постепенному, а не резкому изменению углов волокон.
После накачивания мембраны клапаны Va и Vb закрывают, чтобы удерживать ее в этом состоянии.
Таким образом, она образует своего рода форму или опалубку для заливки цемента.
После этого открывают клапаны W, и жидкий цемент L2 поступает через отверстия 10 и каналы 6 в периферическое пространство Σ внутри чехла 5. Таким образом, чехол, в свою очередь, тоже накачивается, удаляя жидкость, присутствующую в скважине, например, буровой раствор, который находится в пространстве Σ. Эта жидкость может выходить через канавки 22а, 22b, выполненные для этой цели в концевых зонах стенки, образующих валики.
На фиг.11 это удаление показано стрелками е.
Таким образом, как показано на фиг.12, жидкий цемент L2 в конечном счете заполняет все пространство Σ, и чехол 5 оказывается прижатым к обсадной трубе.
Затем клапаны W закрывают и ждут схватывания цемента.
Когда цемент затвердеет в достаточной степени, мембрану спускают, отсасывая текучую среду L1 накачивания (стрелки f2); мембрана оседает в радиальном направлении и удлиняется в осевом направлении (стрелки d2). Цемент образует кольцевую рубашку GC, которая покрывает зону Z и герметизирует ее за счет присутствия чехла 5.
Цементные стержни s, остающиеся после нагнетания цемента, которые соответствуют каналу 6 и все еще сцеплены с этим чехлом, можно отсечь просто во время извлечения устройства или при помощи специального инструмента (стрелки J, фиг.14).
Это же устройство можно использовать повторно для обработки других участков обсадной трубы и даже других обсадных труб.
В этом случае цементирование производят без чехла 5.
Например, толщина стенки рубашки GC находится в пределах от 35 до 40 мм, тогда как ее внутренний диаметр составляет примерно 80 мм. Ее длина может составлять несколько метров.
Под термином «нити или волокна» в настоящем описании можно также понимать аналогичные нитеобразные элементы, такие как корды.
Эти элементы можно выполнять из любого материала, обладающего высокой механической прочностью, например из стали, углерода или арамида.
Разумеется, для ограничения амплитуды радиального растяжения средней зоны заготовки можно применять и другие средства, отличные от описанных. Например, эту заготовку можно оснастить гибкой и нерастяжимой арматурой, которая первоначально находится в слабо натянутом состоянии и которая может деформироваться в радиальном направлении одновременно с мембраной на ограниченном промежутке, начиная от которого она натягивается.