СИСТЕМА И СПОСОБ ЗАКАНЧИВАНИЯ СКВАЖИН С МНОЖЕСТВОМ ЗОН (ВАРИАНТЫ)
SYSTEM AND PROCEDURE FOR COMPLETION OF WELLS WITH MULTITUDE OF ZONES (VERSIONS)

Предпосылки создания изобретения
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системам и способам добычи углеводородов в подземных пластах. В частности, варианты осуществления настоящего изобретения относятся к способам и системам для подачи технологических текучих сред в скважины, имеющие множество продуктивных зон.
Предшествующий уровень техники
При типичных операциях в стволе скважины можно закачивать технологические текучие среды в скважины и, в конечном счете, в пласт для восстановления или повышения продуктивности скважины. Например, можно закачивать в ствол скважины не вступающую в химические реакции «жидкость разрыва» или «рабочую жидкость» для инициирования и распространения разрывов в пласте, обеспечивая таким образом проточные каналы для облегчения движения углеводородов в ствол скважины, вследствие чего можно выкачивать углеводороды из скважины. При таких операциях гидравлического разрыва пласта жидкость разрыва гидравлически нагнетают в ствол скважины, проходящий в подземном пласте, и принудительно нагнетают под давлением в слои пласта. В слоях пласта принудительно создаются трещины и разрывы, и за счет движения вязкой текучей среды, содержащей расклинивающий наполнитель, в трещину в породе происходит размещение расклинивающего наполнителя в разрыве. Получаемый разрыв с расположенным в нем расклинивающим наполнителем обеспечивает увеличенный приток добываемой текучей среды (например, нефти, газа или воды) в ствол скважины. В еще одном примере можно нагнетать в пласт вступающую в химические реакции текучую среду или «кислоту». Кислотная обработка пласта приводит к растворению материалов в порах пласта, увеличивая поток при добыче.
В настоящее время в скважинах с множеством продуктивных зон может понадобиться обработка различных пластов на многостадийной операции, требующей многих рейсов оборудования в стволе скважины. Первый рейс обычно предусматривает изоляцию одной продуктивной зоны с последующей подачей технологической текучей среды в изолированную зону. Поскольку для изоляции и обработки каждой зоны требуется несколько рейсов внутри скважины, вся операция может занимать очень много времени и требовать больших расходов.
Целью настоящего изобретения является создание систем и способов подачи технологических текучих сред во множество зон скважины за один рейс в скважине.
Краткое изложение сущности изобретения
Один аспект изобретения относится к системам, предназначенным для использования в стволе скважины, имеющем множество зон скважины. Система в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения включает в себя колонну труб, расположенную в стволе скважины, и множество клапанов, соединенных с колонной труб, причем каждый из этого множества клапанов содержит, по меньшей мере, одно отверстие для сообщения между колонной труб и одной из множества зон скважины и втулку, перемещаемую приводящим в действие устройством между открытым положением, в котором, по меньшей мере, одно отверстие открыто, и закрытым положением, в котором, по меньшей мере, одно отверстие закрыто, причем приводящее в действие устройство содержит головную часть и хвостовую часть, при этом головная часть имеет дискообразную или частично сферическую конструкцию, имеющую диаметр, немного меньший внутреннего диаметра колонны труб, а хвостовая часть имеет, по меньшей мере, одно ребро или полость, расположенное или расположенную, по существу, перпендикулярно дискообразной или частично сферической конструкции.
В еще одном аспекте раскрытые в данном описании варианты осуществления изобретения относятся к способам обработки ствола скважины, имеющего множество зон скважины. Способ в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения заключается в том, что располагают в стволе скважины колонну труб, имеющую множество клапанов, каждый из которых имеет, по меньшей мере, одно отверстие для сообщения между колонной труб и одной из множества зон скважины и втулку, перемещаемую между открытым положением, в котором, по меньшей мере, одно отверстие открыто, и закрытым положением, в котором, по меньшей мере, одно отверстие закрыто, открывают первый клапан из множества клапанов путем перемещения в нем втулки с использованием приводящего в действие устройства, содержащего головную часть и хвостовую часть, при этом головная часть имеет дискообразную или частично сферическую конструкцию, имеющую диаметр, немного меньший, чем внутренний диаметр колонны труб, а хвостовая часть имеет, по меньшей мере, одно ребро, расположенное, по существу, перпендикулярно дискообразной или частично сферической конструкции, причем конфигурация дискообразной или частично сферической конструкции обеспечивает проталкивание посадочного элемента по втулке для открытия первого клапана, и обеспечивают протекание текучей среды через первый клапан.
Еще один аспект изобретения относится к способам обеспечения протекания текучей среды вверх по стволу скважины, имеющему множество зон скважины. Способ в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения заключается в том, что располагают в стволе скважины колонну труб, имеющую множество клапанов, каждый из которых имеет, по меньшей мере, одно отверстие для сообщения между колонной труб и одной из множества зон скважины и втулку, перемещаемую между открытым положением, в котором, по меньшей мере, одно отверстие открыто, и закрытым положением, в котором, по меньшей мере, одно отверстие закрыто, открывают, по меньшей мере, один клапан из множества клапанов путем перемещения в нем втулки с использованием приводящего в действие устройства, содержащего головную часть и хвостовую часть, при этом головная часть имеет дискообразную или частично сферическую конструкцию, имеющую диаметр, немного меньший, чем внутренний диаметр колонны труб, а хвостовая часть имеет, по меньшей мере, одно ребро, расположенное, по существу, перпендикулярно дискообразной или частично сферической конструкции, причем конфигурация дискообразной или частично сферической конструкции обеспечивает проталкивание посадочного элемента по втулке для открытия, по меньшей мере, одного клапана, и обеспечивают протекание текучей среды через, по меньшей мере, один клапан в колонну труб и вверх по стволу скважины, при этом колонна труб имеет, по меньшей мере, одну секцию, имеющую увеличенный внутренний диаметр, так что текучая среда может протекать мимо дискообразной или частично сферической конструкции.
Другие аспекты и преимущества изобретения станут очевидными из нижеследующего описания и прилагаемой формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает систему для заканчивания, имеющую множество клапанов и предназначенную для использования при обработке пластов с несколькими зонами.
Фиг.2А и 2В изображают управляющий клапан, предназначенный для использования в системе заканчивания, показанной на фиг.1.
Фиг.3 изображает приводящее в действие устройство, используемое для открытия клапана в обсадной колонне, расположенной в стволе скважины.
Фиг.4А изображает обсадную колонну с несколькими клапанами в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
Фиг.4В - вид в увеличенном масштабе одного из клапанов на обсадной колонне согласно фиг.4А.
Фиг.4С - альтернативный вариант приводящего в действие устройства в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
Фиг.5 изображает обсадную колонну с несколькими клапанами во время обратного потока или добычи.
Фиг.6А показывает приводящее в действие устройство в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, расположенное поверх С-образного кольца или цанги во время обратного потока.
Фиг.6В показывает приводящее в действие устройство в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, расположенное поверх С-образного кольца или цанги во время обратного потока.
Подробное описание
Варианты осуществления изобретения относятся к управляющему устройству, предназначенному для использования в системах для заканчивания скважин с множеством зон. Как правило, скважины с множеством зон заканчивают за несколько стадий (предусматривающих множество рейсов оборудования внутри скважины), что приводит к очень большим временам заканчивания (например, порядка четырех-шести недель). Варианты осуществления настоящего изобретения могут способствовать сокращению такого времени заканчивания до нескольких суток путем осуществления заканчиваний множества зон за один рейс оборудования.
На фиг.1 изображена типичная система для заканчивания скважины, расположенная в стволе 10 скважины. Ствол 10 скважины может включать в себя множество зон 12А, 12В скважины (например, пластовых, продуктивных, нагнетательных, углеводородоносных, нефтеносных, газоносных или водоносных зон или интервалов). Система для заканчивания включает в себя обсадную колонну 20, имеющую один или несколько зональных клапанов 25А, 25В сообщения, расположенных в соответствии с отдельными пластовыми зонами 12А, 12В. Функция зональных клапанов 25А, 25В сообщения состоит в регулировании гидравлического сообщения между осевым каналом обсадной колонны 20 и соответствующей пластовой зоной 12А, 12В. Например, для подачи технологической текучей среды в пластовую зону 12А, 12В клапан 25В открывается, а клапан 25А закрывается. Следовательно, любая технологическая текучая среда, подаваемая в обсадную колонну 20 с поверхности, будет подаваться в зону 12В и обходить зону 12А. Клапаны 25А, 25В системы для заканчивания скважин могут включать в себя клапан любого типа или различные комбинации клапанов, включая, но не в ограничительном смысле, клапаны со скользящими или вращающимися втулками, шаровые клапаны, откидные клапаны и другие клапаны. Кроме того, хотя в рассматриваемом примере описывается система для заканчивания, включающая в себя управляющие клапаны в обсадной колонне, в вариантах осуществления изобретения возможно использование любой полой колонны, включая обсадную колонну, колонну труб, не доходящую до устья скважины, трубку, трубу или другой трубный элемент.
Систему для заканчивания скважин, такую как та, которая показана на фиг.1, можно развертывать в открытом (не обсаженном) стволе скважины в качестве средства заканчивания скважины при нестационарном или стационарном оборудовании. В этом случае можно использовать уплотнительные механизмы (пакеры) для изоляции зоны, подлежащей обработке. В альтернативном варианте клапаны и обсадную колонну системы для заканчивания можно зацементировать по месту в качестве средства заканчивания скважины при стационарном оборудовании. В этом случае цемент служит для изоляции каждой пластовой зоны, а пакер не нужен.
В вариантах осуществления изобретения возможно использование клапанов любого типа (таких как шаровые клапаны и втулочные клапаны) для управления потоками текучих сред. Фиг.2А и 2В иллюстрируют вариант осуществления зонального клапана 25. Клапан 25 включает в себя внешний кожух 30, имеющий сквозной осевой канал. Кожух 30 может быть соединен с обсадной колонной 20 (или другой полой колонной) или выполнен как единое целое с ней. Кожух 30 имеет группу выполненных в нем отверстий 32 кожуха для установления сообщения между стволом скважины и осевым каналом кожуха.
В некоторых вариантах осуществления кожух 30 также включает в себя группу «лепестков» или выступающих элементов 34, сквозь которые проходят отверстия 32. Каждый лепесток 34 выступает в радиальном направлении наружу, минимизируя зазор 14 между клапаном 25 и стволом 10 скважины (как показано на фиг.1), и цемент может протекать сквозь выемки между лепестками, когда обсадную колонну цементируют в стволе скважины. Минимизируя зазор 14 между лепестками 34 и пластом, также минимизируют количество цемента, мешающее сообщению через отверстия 32. В осевом канале кожуха 30 расположена втулка 36. Втулка 36 выполнена с возможностью перемещения между «положением с открытыми отверстиями», в котором поддерживается проточный канал между стволом скважины и осевым каналом кожуха 30 через группу отверстий 32, и «положением с закрытыми отверстиями», в котором проточный канал между стволом скважины и осевым каналом кожуха 30 через группу отверстий 32 перекрыт втулкой 36.
В некоторых вариантах осуществления втулка 36 может включать в себя группу отверстий 38, которые выровнены с группой отверстий 32 кожуха 30 в положении с открытыми отверстиями, но не в положении с закрытыми отверстиями. В некоторых вариантах осуществления отверстия 38 втулки могут включать в себя сетчатый фильтр.
В других вариантах осуществления втулка 36 не включает в себя отверстия, а клапан 25 открывается за счет перемещения втулки 36 из окрестности группы отверстий 32 и закрывается за счет перемещения втулки 36 и закрытия ею группы отверстий 32. В этом варианте осуществления втулка 36 перемещается между положением с открытыми отверстиями и положением с закрытыми отверстиями за счет осевого скольжения или шагового перемещения. В других вариантах осуществления втулка может перемещаться между положением с открытыми отверстиями и положением с закрытыми отверстиями за счет вращения втулки вокруг центральной оси кожуха 30. Кроме того, хотя в рассматриваемом варианте осуществления клапан 25 включает в себя втулку 36, расположенную внутри кожуха 30, в альтернативном варианте осуществления втулка 36 может располагаться снаружи кожуха 30.
Приведение в действие указанного клапана обычно достигается с помощью любого количества механизмов, включая дротики, колонны с инструментами, управляющие магистрали и падающие шарики. На фиг.3 изображен вариант осуществления дротика для избирательного приведения в действие клапанов системы для заканчивания скважин. Дротик 100, имеющий фиксирующий механизм 110 (например, цангу), можно сбрасывать в обсадную колонну 20 и прокачивать вниз по скважине до вступления в контакт с согласующим профилем 37, выполненным в скользящей втулке 36 клапана 25. Сразу же после контакта дротика 100 с втулкой гидравлическое давление позади дротика 100 можно увеличивать до предварительно определенного уровня, с целью сдвига втулки между положением с открытыми отверстиями и положением с закрытыми отверстиями. Дротик 100 может включать в себя один или несколько центраторов 115 (например, направляющих ребер). Когда текучие среды текут в обратном направлении вверх, дротик 100 будет всплывать вверх до соприкосновения с ограничителем над клапаном 25. После этого дротик 100 может ограничивать поток.
Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к усовершенствованным приводящим в действие устройствам (например, дротикам) для управления потоками в обсадной колонне или любой трубной системе для заканчивания. На фиг.4А показана система 300 для заканчивания в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, которая включает в себя обсадную колонну 200, имеющую один или несколько зональных клапанов 201 и 202 сообщения. Клапаны 201 и 202 могут быть клапанами любых типов, например клапаны со скользящими втулками, клапаны с вращающимися втулками, откидные клапаны, шаровые клапаны и т.д. Отметим, что хотя на рассматриваемом чертеже показано, что используется система для заканчивания с обсадной колонной, можно использовать варианты осуществления с любой полой колонной.
Обсадная колонна 200 может включать в себя множество управляющих клапанов, таких как клапаны 201 и 202. На фиг.4В показан вид в увеличенном масштабе одного такого управляющего клапана, клапана 201. Управляющий клапан 201 включает в себя скользящую втулку 303, которую можно использовать для управления закрыванием и открыванием отверстия 304. Как отмечалось выше, втулка 303 может управлять закрыванием и открыванием отверстия 304 посредством осевого скольжения или посредством вращения.
В варианте осуществления, показанном на фиг.4В, для управления перемещением втулки 303 с целью управления закрыванием и открыванием отверстия 304 используется приводящее в действие устройство, например дротик 30. Дротик 30 содержит две части: головку 306 дротика, имеющую, по существу, дискообразную или частично сферическую форму, и хвостовую часть, имеющую одно или более ребер (или полостей, вырезанных в твердом теле) 301, причем ребра или полости предпочтительно расположены, по существу, перпендикулярно дискообразной или частично сферической конструкции. Как будет пояснено ниже, головка 306 дротика может выполнять функцию перекрытия канала текучей среды и проталкивания втулки, которая управляет клапаном. Ребра 301 дротика способствуют направлению дротика вниз по обсадной колонне. Основное назначение ребра или полости в дротике цилиндрической или сферической формы состоит в обеспечении протекания жидкости или газа вокруг дротика, когда эту жидкость или газ перекачивают вверх, и создании посадочного места, получаемого при развертывании, вокруг ребра или полости. На фиг.4С показан пример приводящего в действие устройства, которое включает в себя частично сферическую головку и полости в хвостовой части. Специалист в данной области техники должен понять, что варианты осуществления изобретения не ограничиваются приводящими в действие устройствами, имеющими вышеописанные формы. Например, дротик также может иметь дискообразную головку и хвостовик с полостями, или частично сферическую головку и ребристый хвостовик.
Когда текучие среды текут с поверхности вниз по скважине, т.е. в направлении 305, дротик 30 будет проталкиваться вниз до соприкосновения с посадочным элементом 302. Этот посадочный элемент может быть цангой, О-образным кольцом, С-образным кольцом или иметь другие формы. Управление внутренним диаметром посадочного элемента 302 осуществляется посредством движения расширения и сжатия. В случае С-образного кольца посадочный элемент может иметь разомкнутое состояние, в котором его форма похожа на букву «С», и сомкнутое состояние, в котором его форма похожа на букву «О».
С-образное кольцо сначала находится в разомкнутой конфигурации, имея больший внутренний диаметр, так что дротик может проскользнуть к нижерасположенному управляющему клапану. После этого С-образное кольцо может сомкнуться, принимая форму О-образного кольца, которое имеет меньший внутренний диаметр, так что через него дротик пройти не сможет. Смыкание С-образного кольца может быть достигнуто с помощью любого механизма, известного в данной области техники. Например, смыкание С-образного кольца может быть достигнуто с помощью управляющей (например, гидравлической) магистрали для проталкивания подвижной части, вынуждающей смыкание С-образного кольца для образования О-образного кольца.
В альтернативном варианте внутренним диаметром посадочного элемента можно управлять посредством сигнала, принимаемого приемником, подключенным к посадочному элементу. Такой сигнал может быть радиочастотным сигналом, акустическим сигналом, радиоактивным сигналом, магнитным сигналом, или может быть представлен сигналами других типов. Сигналы можно посылать с поверхности или доставлять посредством дротиков. Например, сигнал можно передавать с помощью передатчика, установленного на дротике. Когда дротик проходит мимо посадочного элемента, возможна выдача команды сжатия посадочного элемента.
В предпочтительных вариантах осуществления С-образное кольцо может иметь внутренний диаметр, аналогичный внутреннему диаметру D1 обсадной колонны или превышающий его, так что дротик, который имеет диаметр D2, немного меньший внутреннего диаметра обсадной колонны, может проходить сквозь упомянутое кольцо. Сразу же после смыкания получаемое О-образное кольцо может иметь внутренний диаметр, меньший, чем D1 и D2, так что дротик не сможет пройти сквозь это кольцо. В некоторых вариантах осуществления О-образное кольцо может стать посадочным элементом 302 или его частью.
Сразу же после того, как дротик садится на посадочный элемент 302, головка 306 дротика образует уплотнение с посадочным элементом 302. После этого гидравлическое давление над дротиком 30 заставляет дротик 30 толкать посадочный элемент 302, что приводит к движению втулки 303 вниз, а это, в свою очередь, может привести к открыванию (или закрыванию - в зависимости от конструкции управляющего клапана) отверстия 304.
Как только отверстие 304 открывается, технологические текучие среды смогут вытекать из обсадной колонны в зону, подлежащую обработке. Во время обработки пластов с множеством зон, после обработки первой зоны С-образное кольцо над первой зоной можно замкнуть для образования еще одного посадочного элемента для второй зоны. Еще один дротик спускают вниз для посадки на посадочный элемент для второй зоны, чтобы открыть вторую группу отверстий для второй зоны. Эти процессы можно повторить для всех зон, подлежащих обработке.
Когда обработки завершены, скважину можно прочистить или обеспечить в ней протекание в обратном направлении, после чего можно добывать пластовые текучие среды. Во время обеспечения протекания в обратном направлении (т.е. прочистки или добычи) потоки текучих сред изменяют свое направление на противоположное. Дротик 30 будет проталкиваться в направлении вверх и подниматься с посадочного элемента 302. На фиг.5 изображена система для заканчивания во время протекания в обратном направлении. Как показано на фиг.5, имеются два управляющих клапана 201, 202, каждый из которых имеет дротик 30а, 30b. Дротики 30а, 30b поднимаются с посадочного элемента 302а, 302b, потому что направление 401 протекания является направлением вверх. Это протекание вверх может являться результатом течения текучих сред из пласта 12 в обсадную колонну, как показано посредством потоков 402а, 402b.
Дротики могут подниматься все время до их соприкосновения с посадочными элементами (или О-образными кольцами), находящимися над ними. Это показано на фиг.6В. Как показано на фиг.6В, дротик 30 проталкивается вверх к находящемуся над ним посадочному элементу 302 во время протекания в обратном направлении. Поскольку ребра 301 или полости не образуют уплотнение с посадочным элементом 302а, текучие среды могут течь мимо ребер 301, продолжая следовать по идущему вверх каналу. Вместе с тем, головка 306 дротика, являясь диском, может перекрывать проточный канал. Поэтому предусматривается секция обсадной колонны 501, имеющая увеличенный внутренний диаметр, так что когда дротик 30 блокируется посадочным элементом 302а, головка 306 дротика оказывается заключенной внутри этой секции 501 с увеличенным диаметром. В результате головка 306 дротика не будет полностью блокировать поток 502 текучей среды.
При наличии конструкции, показанной на фиг.6А и 6В, можно обеспечить оставление дротиков в обсадной колонне во время протекания в обратном направлении или добычи. Если это желательно, то дротики можно изготавливать из материалов (например, полимеров, пластмасс, алюминия или хрупких материалов), которые можно разлагать химическими (например, за счет коррозии или растворения) или физическими средствами (например, за счет бурения), чтобы можно было извлекать дротики из обсадной колонны, когда они больше не будут нужны.
Преимущества настоящего изобретения могут включать в себя одно или несколько из нижеследующих. Варианты осуществления изобретения имеют простые конструкции. Дротики можно оставлять в системе, что приводит к незначительному ограничению потоков при изменении направления потока на противоположное. Форма дротиков обеспечивает стабилизированное движение в потоке благодаря стабилизирующему эффекту ребер. Некоторые варианты осуществления изобретения предусматривают легкое извлечение из скважины, если это желательно.
Хотя изобретение описано применительно к ограниченному количеству вариантов осуществления, специалисты в данной области, пользующиеся выгодами знания этого описания, поймут, что возможна разработка других вариантов осуществления в рамках объема притязаний описываемого здесь изобретения. Соответственно объем притязаний изобретения следует считать ограничиваемым лишь прилагаемой формулой изобретения.