КОМПОНОВКА ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ХВОСТОВИКА И УСТАНОВКИ ГРАВИЙНОГО ФИЛЬТРА ОТ НОСКА К ПЯТКЕ В ОДНОМ РЕЙСЕ
LINER CEMENTING ASSEMBLY AND NOSE-TO-TOE INSTALLATION OF GRAVEL FILTER PER ONE RUN

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Некоторые нефтяные и газовые скважины заканчивают в неконсолидированных пластах, содержащих несвязанный мелкодисперсный материал и песок. Когда из таких скважин добывают текучие среды, несвязанный мелкодисперсный материал и песок может мигрировать с добываемыми текучими средами и может повреждать оборудование, такое как электрические погружные насосы (ЭЦН) и другие системы. По данной причине в заканчивании могут требоваться фильтры для борьбы с поступлением песка.
Горизонтальные скважины, в которых требуется борьба с поступлением песка, обычно проходят заканчивание с необсаженным забоем. В прошлом преобладало использование автономных песчаных фильтров в данных горизонтальных необсаженных стволах. Вместе с тем операторы также используют установку гравийных фильтров в данных горизонтальных необсаженных стволах для борьбы с поступлением песка. Гравий является специально подобранным по крупности материалом из твердых частиц, таким как сортированный песок или проппант, который набивается вокруг песчаного фильтра в кольцевом пространстве ствола скважины. Применяемый гравий действует как фильтр, предотвращая миграцию любых пластовых мелкодисперсных частиц и песка с добываемыми текучими средами.
Компоновка 20 гравийного фильтра известной техники, показанная на Фиг. 1А, проходит от пакера 14 к забою от обсадной колонны 12 в стволе 10 скважины, который является горизонтальным необсаженным стволом. Для борьбы с поступлением песка операторы предпринимают заполнение кольцевого пространства между компоновкой 20 и стволом 10 скважины гравием (зернистым материалом) с помощью перекачивания суспензии текучей среды и гравия в ствол 10 скважины для набивки кольцевого пространства. Для горизонтального необсаженного ствола 10 скважины операторы могут применять методику альфа-бета волны (или водного заполнения) для заполнения кольцевого пространства. В данной методике применяют текучую среду малой вязкости, такую как рассол заканчивания, для переноса гравия. Компоновка 20 на Фиг. 1А представляет такой альфа-бета тип.
Вначале операторы устанавливают промывочную трубу 40 в фильтр 25 и перекачивают суспензию текучей среды и гравия вниз по внутренней рабочей колонне 45. Суспензия проходит через окно 32 в переводнике 30 в кольцевое пространство между фильтром 25 и стволом 10 скважины. Как показано, переводник 30 устанавливается вплотную к пакеру 14 гравийного фильтра со стороны забоя скважины и со стороны устья скважины от фильтра 25. Окно 32 переводника отводит поток суспензии из внутренней рабочей колонны 45 в кольцевое пространство со стороны забоя от пакера 14. Одновременно, другое окно 34 переводника отводит поток возвращающегося из скважины раствора из промывочной трубы 40 в кольцевое пространство обсадной колонны со стороны устья скважины от пакера 14.
Когда операция начинается, суспензия перемещается из окна 32 переводника в кольцевое пространство. Текучий носитель в суспензии затем уходит через пласт и/или через фильтр 25. Вместе с тем фильтр 25 предотвращает проход гравия в суспензии в фильтр 25. Текучие среды, проходящие отдельно через фильтр 25, могут затем возвращаться через окно 34 переводника и в кольцевое пространство над пакером 14.
Когда текучая среда уходит, гравий выпадает из суспензии и вначале укладывается вдоль нижней стороны кольцевого пространства ствола скважины. Гравий собирается ярусами 16а, 16b и т.д., которые продвигаются от пятки к носку в форме так называемой альфа-волны. Поскольку ствол 10 скважин является горизонтальным, гравитационные силы доминируют в образовании альфа-волны и гравий осаждается вдоль нижней стороны на высоту подъема в положении равновесия вдоль фильтра 25.
Когда альфа-волна заполнения гравийного фильтра завершена, гравий начинает собираться ярусами (не показано) бета-волны. Волна образуется вдоль верхней стороны фильтра 25, начинаясь от носка и продвигаясь к пятке фильтра 25. Здесь также текучая среда, несущая гравий, может проходить через фильтр 25 и вверх по промывочной трубе 40. Для завершения бета-волны в операции заполнения гравийного фильтра должна создаваться достаточная скорость текучей среды для поддержания турбулентного потока и перемещения гравия вдоль верхней стороны кольцевого пространства. Для рециркуляции после данной точки операторы должны механически реконфигурировать переводник 30 для получения возможности промывки трубы 40.
Хотя альфа-бета методика может являться экономически оправданной, вследствие текучего носителя низкой вязкости и возможности использования фильтров обычных типов, в некоторых ситуациях может требоваться применение методики заполнения с вязкой текучей средой с использованием альтернативного пути. В данной методике шунты, расположенные на фильтре, отводят перекачиваемую суспензию заполнения вдоль наружной части фильтра. На Фиг. 1В показан пример компоновки 20 с шунтами 50 и 52 (только два показаны). В общем, шунты 50/52 для транспортировки и заполнения прикреплены эксцентрично к фильтру 25. Транспортные шунты 50 питают заполняющие шунты 52 суспензией, и суспензия выходит из сопел 54 на заполняющих шунтах 52. С помощью использования шунтов 50/52 для транспортировки и заполнения при заполнении гравийного фильтра можно обойти зоны высокого поглощения в стволе 10 скважины, которые обуславливают образование перемычек и нарушают заполнение гравийного фильтра.
Известные в технике компоновки 20 гравийного фильтра для обеих методик, показанные на Фиг. 1А-1В, имеют ряд проблем и недостатков. Во время операции заполнения гравийного фильтра в горизонтальной скважине, например, окна 32/34 переводника может потребоваться переконфигурировать несколько раз. Во время гидроразрыва пласта с применением проппанта суспензия, перекачиваемая под высоким давлением и с высоким расходом, может в некоторых случаях дегидрировать внутренний объем в переводнике 30 компоновки и связанной скользящей муфте (не показано). В неблагоприятных условиях осажденный песок или дегидрированная суспензия может прихватывать сервисные инструменты и может даже привести к засорению скважины железным ломом. Кроме того, переводник 30 подвержен эрозии во время гидроразрыва, и установки гравийного фильтра, и переводник 30 могут прихватываться в пакере 14, что может приводить к чрезвычайно сложным ловильным работам в скважине.
Для установки гравийного фильтра в некоторых скважинах с необсаженной зоной забоя разработана система Reverse-Port Uphill Openhole Gravel Pack, разработанная, как описано в документе SPE 122765, под названием ′′World′s First Reverse-Port Uphill Open Hole Gravel Pack with Swellable Packers′′ (Jensen et al. 2009). Данная система обеспечивает заполнение гравийного фильтра в направленном вверх необсаженном стволе скважины с использованием окна, направленного к носку скважины.
Сегодня, когда в коллекторы бурят скважины, разработанные для заканчивания с установкой гравийного фильтра в необсаженной зоне ствола, как описано выше, скважину бурят до верха коллектора, затем устанавливают хвостовик и цементируют по месту перед бурением дальше в коллектор. После спуска и цементирования хвостовика операции бурения можно возобновлять в назначенной зоне. Выполнение данных операций отдельными этапами в отдельных рейсах трубного инструмента в скважину увеличивает общую стоимость и время строительства скважины.
Вместо выполнения цементирования и гравийного фильтра на отдельных этапах, требуется выполнение указанного в одном спуске в скважину. Одним способом для этого является спуск системы гравийного фильтра в забойную зону после бурения скважины. Когда система гравийного фильтра установлена, песчаную суспензию можно перекачивать через переводник от верха проектной зоны до низа для заполнения кольцевого пространства вокруг фильтра песком. Переводник можно затем поднимать с проходом через пакер необсаженного ствола, так что переводник выставляется по окнам цементирования. Операторы могут затем перекачивать цемент в забойную зону для цементирования хвостовика над пакером необсаженного ствола. При этом требуется циркуляция через сложный перепускной инструмент.
К сожалению, промывочная труба, применяемая при заполнении гравийного фильтра, должна также проходить через фильтр во время цементирования. Если инструменты неправильно расположены, цемент может перекачиваться в фильтр, что приводит к срыву выполнения работы. В дополнение, цемент должен перекачиваться сразу после заполнения гравийного фильтра. Поэтому, если требуется следом выполнить кислотную обработку, ее придется выполнять через трубу, в которой наверняка есть остатки цемента, которые могут повреждать пласт.
Настоящее изобретение направлено на преодоление или по меньшей мере уменьшение воздействия одной или нескольких проблем, изложенных выше.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство гравийного фильтра имеет хвостовик, который проходит от подвески хвостовика в обсаженном стволе скважины. От хвостовика одна или несколько секций гравийного фильтра проходят в необсаженный ствол скважины. Устройство имеет корпусной канал, расположенный вдоль его длины, и различные окна и фильтры на устройстве могут поддерживать гидравлическое сообщение между корпусным каналом и кольцевым пространством ствола скважины. Окна включают в себя окно заполнения гравийного фильтра, окно цементирования и окно возвращения из скважины текучей среды, и фильтр устанавливается между окном заполнения гравийного фильтра и окном цементирования.
Устройство также включает в себя внутреннюю колонну, имеющую канал колонны для транспортировки текучих сред, суспензии, цемента и т.п. на выпускное окно. Для выполнения заполнения фильтра гравием или гидроразрыва пласта с применением проппанта, а также цементирования внутренняя колонна устанавливается в корпусном канале устройства в различных селективных положениях. Когда внутреннюю колонну перемещают в первое селективное положение в корпусном канале, например, уплотнения вокруг выпускного окна на внутренней колонне уплотняются по меньшей мере частично с седлами внутри корпусного канала, при этом выпускное окно на колонне может поддерживать сообщение с окном заполнения гравийного фильтра на корпусе. Когда суспензия гравийного фильтра перекачивается вниз по каналу колонны, суспензия проходит через окна в кольцевое пространство ствола скважины в гравийный фильтр вокруг фильтра устройства.
Внутреннюю колонну можно перемещать в несколько положений для заполнения гравийного фильтра вокруг фильтров одной или нескольких секций гравийного фильтра. По завершении заполнения гравийного фильтра устройство устанавливается в положение цементирования. Для выполнения указанного внутренняя колонна перемещается во второе селективное положение, при этом уплотнения внутренней колонны по меньшей мере частично уплотняют выпускное окно вместе с окном цементирования. Суспензия цементирования перекачивается вниз по каналу колонны, и суспензия цементирования заполняет кольцевое пространство ствола скважины вокруг хвостовика. В это время через окно возврата из скважины текучей среды передается возвращающаяся текучая среда из кольцевого пространства ствола скважины вокруг хвостовика обратно в корпусной канал, при этом возвращающаяся из скважины текучая среда может транспортироваться к устью скважины над хвостовиком.
Приведенная выше сущность изобретения не описывает возможные отдельные варианты осуществления или аспекты настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1А-1В показаны компоновки гравийного фильтра известной техники.
На Фиг. 2 показана компоновка гравийного фильтра от носка к пятке согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 3 показана другая компоновка гравийного фильтра от носка к пятке согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 4А-4В показана компоновка гравийного фильтра Фиг. 3 на этапах работы, включающих в себя промывку и заполнение гравийного фильтра.
На Фиг. 4С показана компоновка гравийного фильтра Фиг. 3 на этапе цементирования.
На Фиг. 4D показана компоновка гравийного фильтра Фиг. 3 без пакерующего элемента на устье скважины, как альтернативное устройство.
На Фиг. 5А-5В показаны участки компоновки гравийного фильтра Фиг. 3 более детально во время промывки.
На Фиг. 6А-6В показаны участки компоновки гравийного фильтра Фиг. 3 более детально во время установки в рабочее положение и испытания пакера на подвеске хвостовика.
На Фиг. 7А-7В показаны участки компоновки гравийного фильтра Фиг. 3 более детально во время первой части заполнения гравийного фильтра.
На Фиг. 8А-8В показаны участки компоновки гравийного фильтра на Фиг. 3 более детально во время второй части заполнения гравийного фильтра.
На Фиг. 9А-9В показаны дополнительные секции компоновки гравийного фильтра во время этапов установки гравийного фильтра.
На Фиг. 10А показаны участки компоновки гравийного фильтра во время цементирования с использованием одного типа снабженной окнами подкомпоновки.
На Фиг. 10В показаны участки компоновки гравийного фильтра во время цементирования с использованием другого устройства внутренней колонны.
На Фиг. 11А показаны другие снабженные окнами подкомпоновки компоновки гравийного фильтра для выполнения цементирования с внутренней колонной.
На Фиг. 11В показана компоновка гравийного фильтра во время цементирования с использованием снабженной окнами подвески хвостовика.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
А. Компоновка гравийного фильтра/цементирования. На Фиг. 2 показана компоновка 100 гравийного фильтра с заполнением от носка к пятке с хвостовиком 170, проходящим от обсадной колонны 12 с подвеской 14 хвостовика. Проходящая вглубь по необсаженному стволу 10 скважины от хвостовика 170 компоновка 100 имеет секции 102 гравийного фильтра, отделенные от хвостовика 170 изолирующим элементом или пакером 104. Компоновка 100 может являться аналогичной одной из компоновок гравийного фильтра, раскрытых во включенной в виде ссылки заявке U.S. Appl. Ser. No. 12/913981.
Секция 102 гравийного фильтра имеет окна 132 и башмачный патрубок 120, расположенный со стороны забоя от фильтра 140. Хотя показана одна секция 102, компоновка 100 может иметь любое число таких секций 102 гравийного фильтра в стволе 10 скважины, и секция (секции) 102 может в общем иметь любую требуемую длину, удовлетворяющую условиям реализации.
Внутренняя колонна 110 развертывается в секции 102 гравийного фильтра и выполняет промывку через колонный башмак 126 с обратным клапаном в башмачном патрубке 120 компоновки 100. После промывки и установки пакера 104 компоновки в рабочее положение выпускные окна 112 колонны со своими уплотнениями 114 изолируют вместе с окнами 132 прохода потока для выполнения заполнения гравием или гидроразрыва пласта с применением проппанта в секции 102 гравийного фильтра. Операторы перекачивают суспензию гравийного фильтра вниз по внутренней колонне 110, и суспензия выходит из окон 112/132. Оказываясь в стволе 10 скважины, гравий в суспензии заполняет кольцевое пространство вокруг фильтра 140 от носка к пятке в конфигурации гравийного фильтра. По завершении заполнения гравийного фильтра секции 102 внутреннюю колонну 110 можно убрать из секции 102 гравийного фильтра и можно выполнять цементирование на хвостовике 170 с использованием внутренней колонны 110 и муфт 160А-В с окнами, как описано ниже.
На Фиг. 3 показана другая компоновка 100 гравийного фильтра от носка к пятке с несколькими секциями 102А-В гравийного фильтра, отделенными друг от друга и отделенными от хвостовика 170 изолирующими элементами или пакерами 104. Здесь также любое число таких секций 102А-В можно использовать в стволе 10 скважины, и они могут в общем иметь любую требуемую длину, удовлетворяющую условиям реализации. Показанное на Фигурах является только примером.
Изолирующие элементы 104 и секции 102А-В гравийного фильтра развертываются в скважину за один рейс. Имея элементы 104 и секции 102А-В, компоновка 100 выделяет несколько разобщенных зон коллектора, так что заполнение гравийного фильтра или гидроразрыв пласта с применением проппанта можно выполнять отдельно в каждой зоне. Каждый элемент 104 может иметь один или несколько пакеров для изоляции секций 102А-В гравийного фильтра друг от друга и от хвостовика 170. Любые подходящие пакеры можно использовать для элементов 104, гидравлические, гидростатические, надувные или набухающие. В настоящем изобретении элементы 104 называются пакерами для упрощения.
Компоновка 100 имеет гидравлический сервисный инструмент (18; На Фиг. 2), который может скрепляться с подвеской 14 хвостовика для установки пакера подвески в рабочее положение, и компоновка 100 имеет внутреннюю колонну 110, скрепленную с сервисным инструментом 18. Различные детали использования сервисного инструмента 18 для установки пакера на подвески хвостовика в рабочее положение и выполнения других этапов рассмотрен подробно во включенной в состав патентной заявке U.S. Pat. Appl. No. 12/913981, так что некоторые этапы здесь повторно не рассматриваются.
Каждая секция 102А-В гравийного фильтра имеет секции 140А-В фильтра, снабженные окнами кожухи 130А-В, устройства альтернативного пути или шунты 150, и другие компоненты, рассмотренные ниже. В качестве фильтров 140А-В могут применяться фильтры с проволочной намоткой, щелевые хвостовики, фильтры из проволочной сетки или любой другой подходящий фильтр для регулирования гидравлического сообщения из кольцевого пространства ствола скважины в компоновку 100. Снабженные окнами кожухи 130А-В имеют окна 132А-В прохода потока, сообщающиеся с кольцевым пространством ствола скважины, и снабженные окнами кожухи 130А-В могут располагаться рядом или интегрированными в секции 140А-В фильтра. В общем секции 140А-В фильтра и снабженные окнами кожухи 130А-В создают места заполнения суспензии для заполнения гравийного фильтра, раскрытого ниже.
Как показано, окна 132В прохода потока на снабженных окнами кожухах 130В со стороны устья скважины могут сообщаться с устройствами 150 альтернативного пути, расположенными вдоль длины нижней секции 140А фильтра. Данные устройства 150 альтернативного пути могут являться шунтами, трубами, концентрически установленной насосно-компрессорной трубой или другими устройствами известной техники для создания альтернативного пути суспензии. Для настоящего изобретения, вместе с тем, устройства 150 альтернативного пути называются шунтами для упрощения. В общем, шунты 150 поддерживают связь от окон 132В прохода потока к шунтовым окнам в направлении к дальнему концу компоновки 100, но шунты 150 могут направлять поток в других направлениях.
Со стороны устья скважины от секций 102А-В компоновка 100 имеет хвостовик 170, который несет подвеска 14 хвостовика на обсадной колонне 12, и хвостовик 170 имеет муфту 160А-В с окнами для цементирования. В качестве муфты 160А-В с окнами можно применять любую серийную имеющуюся в продаже муфту цементирования известную в технике. В общем, муфты 160А-В цементирования с окнами могут оставаться постоянно открытыми, или окна могут селективно открываться и закрываться, когда требуется. Например, муфты 160А-В цементирования с окнами могут иметь управляемую скользящую или вращающуюся муфту, которая может открываться и закрываться приемлемым переключающим инструментом. В патенте U.S. Pat. No. 6513595, полностью включенном в данном документе в виде ссылки, раскрыт один конкретный пример муфты с окнами, которую можно использовать в раскрытой компоновке 100. Муфты 160А-В цементирования с окнами могут также являться инструментами ступенчатого цементирования, которые открываются гидравлически.
Хотя компоновка 100 Фиг. 3 является аналогичной одной из компоновок гравийного фильтра, раскрытой во включенной в виде ссылки заявке U.S. Appl. Ser. No. 12/913981, другую компоновку, показанную на Фиг. 2А-2С, раскрытую во включенной в состав заявке U.S. Appl. Ser. No. 12/913981, можно также использовать. Данная другая компоновка имеет открытый дальний конец на внутренней колонне, что обеспечивает проход суспензии и текучей среды через него. Соответственно, после завершения установки гравийного фильтра проход текучей среды через данный дальний конец должен перекрываться перед выполнением цементирования. Указанное можно выполнить, закрывая клапан, устанавливая на седло шар, или иначе, прерывая гидравлическое сообщение через дальний конец для отвода цемента надлежащим образом в муфту 160А с окнами.
С общим пониманием компоновки 100 Фиг. 3 можно рассмотреть Фиг. 4A-4D, на которых показана компоновка 100 гравийного фильтра на этапах работы. На Фиг. 4А, 4В и 4С соответственно показана компоновка 100 гравийного фильтра во время промывки скважины, заполнения гравийного фильтра и цементирования. Каждый из этапов рассматривается в свою очередь.
При промывке, показанной на Фиг. 4А, внутренняя колонна 110, проходящая от сервисного инструмента 18, располагается проходящей через секции 102А-В компоновки 100. Внутренняя колонна 110 устанавливается в башмачном патрубке 120, так что выпускные окна 112 колонны могут сообщаться с колонным башмаком 126 с обратным клапаном на конце патрубка 120. Операторы перекачивают промывочную текучую среду вниз по внутренней колонне 110, и промывочная текучая среда выходит из колонного башмака 126 с обратным клапаном. Промывочная текучая среда затем проходит к устью скважины в кольцевом пространстве ствола 10 скважины и выходит через подвеску 14 хвостовика, пакер которой остается не установленным в рабочее положение на данном этапе.
После промывки работы продолжает заполнение гравийного фильтра, показанное на Фиг. 4В. Вначале пакеры 104 устанавливаются в рабочее положение с использованием процедур известных в технике. Пакер на подвеске 14 хвостовика может также устанавливаться в рабочее положение для заполнения гравийного фильтра.
Для начала заполнения гравийного фильтра внутреннюю колонну 110 устанавливают и уплотняют в селективных положениях в снабженных окнами кожухах 130А-В компоновки. На первом этапе, например, совершают манипуляции с окнами 112 и уплотнениями 114 внутренней 112 колонны в первой секции 102А гравийного фильтра и затем перекачивают суспензию вниз по внутренней колонне 110, при этом первую секцию 102А можно заполнять в конфигурации от носка к пятке, рассмотренной в данном документе. После этого внутренняя колонна 110 может перемещаться к следующей секции 102В гравийного фильтра, как показано на Фиг. 4В, для заполнения гравийного фильтра данной секции 102В в аналогичном режиме. Одинаковые процедуры могут повторяться вдоль длины компоновки для различных изолированных секций 102.
В устройстве каждой секции 102А-В окна 132А прохода потока в нижнем снабженном окнами кожухе 130А могут отводить суспензию напрямую в кольцевое пространство ствола скважины, а окна 132В прохода потока в верхнем снабженном окнами кожухе 130В направляют суспензию в шунты 150. Другие устройства также можно использовать. В любом случае, селективная установка в нужное положение и уплотнение между колонной 110 и кожухами 130А-В изменяет пути текучей среды для подачи суспензии в кольцевое пространство ствола скважины вокруг секций 140А-В фильтра в каждой секции 102А-В во время установки гравийного фильтра.
После заполнения гравийного фильтра внутренняя колонна 110 поднимается к муфте 160А цементирования с окнами, расположенной на хвостовике 170 со стороны устья скважины от секций 102А-В гравийного фильтра, как показано на Фиг. 4С. Операторы совершают манипуляции с окнами 112 и уплотнениями 114 на внутренней колонне 110 в нижней муфте 160А (как описано более детально ниже) и начинают перекачку цементной суспензии вниз по внутренней колонне 110. Суспензия цементирования выходит из окон 112 и муфты 160А, и суспензия цементирования начинает заполнять кольцевое пространство ствола 10 скважины вокруг хвостовика 170 от пакера 104 со стороны забоя к подвеске 14 хвостовика со стороны устья скважины. В настоящем варианте реализации подвеска 14 хвостовика может иметь установленный в рабочее положение пакер, изолирующий кольцевое пространство ствола скважины от обсадной колонны 12. Поэтому другая муфта 160В цементирования с окнами со стороны устья скважины на хвостовике 170 может обеспечивать возвращающейся текучей среде из кольцевого пространства проход назад в хвостовик 170 и к устью скважины к обсадной колонне 12.
В конце цементирования операторы вымывают любые излишки цемента или т.п., которые могли войти в хвостовик 170 через муфту 160В цементирования с окнами со стороны устья скважины, например. Для выполнения данной промывки операторы могут осуществлять циркуляцию текучей среды через компоновку 100. По завершении цементирования и промывки внутреннюю колонну 110 можно удалить из компоновки 100, после чего можно начинать эксплуатацию.
При манипуляциях с внутренней колонной 110 между различными этапами работы операторы предпочтительно получают индикацию на поверхности по установке выпускных окон 112 в нужное положение, такое как положение циркуляции суспензии (т.е. на окнах 132А прохода потока), положение холостого хода или положение удаления. Один способ получения данной индикации предусматривает измерение растяжения или сжатия рабочей колонны на поверхности для определения положения внутренней колонны 110 относительно снабженных окнами кожухов 130А-В и седел 134. Данные и другие процедуры известные в технике можно использовать.
В конце отмечаем, что секция 102В гравийного фильтра со стороны устья скважины на Фиг. 4С отделена от хвостовика 170 самым верхним пакером 104. Когда выполняется цементирование, цемент, выходящий из муфты 160А с окнами, удерживается данным самым верхним пакером 104. Хотя пакер 104 является целесообразным, он может применяться только, если необходимо в некоторых вариантах реализации. Например, на Фиг. 4D показана компоновка 100 без такого пакера со стороны устья скважины. Вместо этого обеспечивается создание поверхности раздела цемента с гравийной набивкой со стороны устья скважины секции 102В гравийного фильтра.
В. Заполнение гравийного фильтра
Ознакомившись в общих чертах с компоновкой 100 гравийного фильтра и этапами работ по заполнению гравийного фильтра и цементирования в стволе скважины, можно рассматривать подробное описание компоновки 100.
На Фиг. 5А-5В участки компоновки 100 гравийного фильтра показаны с увеличением во время промывки скважины. Как описано подробно выше и показано на Фиг. 5А, компоновка 100 гравийного фильтра включает в себя хвостовик 170, который проходит в ствол 10 скважины от подвески 14 хвостовика в обсадной колонне 12. Муфта 160А цементирования с окнами устанавливается на хвостовике 170 со стороны устья скважины от самого верхнего пакера 104, который изолирует секции 102А-В, подлежащие заполнению гравием, от хвостовика 170. Другая муфта 160В цементирования с окнами, расположенная на хвостовике 170 вблизи подвески 14 хвостовика, обеспечивает возвращение скважинной текучей среды во время цементирования. Дополнительные детали данных муфт 160А-В и цементирования приведены ниже и показаны на Фиг. 9А-11В.
Здесь также компоновка 100 может иметь несколько секций гравийного фильтра, хотя на Фиг. 5В показана только дальняя секция 102А. Как также рассмотрено выше, секция 102А имеет секции 140А-В фильтра, снабженные окнами кожухи 130А-В, и устройства 150 альтернативного пути, расположенные вдоль длины секции. Каждый из снабженных окнами кожухов 130А-В имеет свои окна 132А-В прохода потока для отвода потока, и каждый из снабженных окнами кожухов 130А-В имеет седла 134, выполненные выше и ниже выпускных окон 132А-В для уплотнения с уплотнениями 114 на внутренней колонне 110.
Для предотвращения эрозии окна 132А прохода потока на нижнем кожухе 130А могут иметь юбку 136 для направления потока суспензии. В отличие от указанного окна 132В прохода потока на кожухе 130В со стороны устья скважины сообщаются с устройствами 150 альтернативного пути, расположенными вдоль длины нижней секции 140А фильтра. Как отмечено выше, данные устройства 150 альтернативного пути могут являться шунтами, трубами, концентрически установленной насосно-компрессорной трубой или другими устройствами известными в технике для создания альтернативного пути для суспензии. Кроме того, шунты 150 передают поток из окон 132В прохода потока к дальнему концу компоновки 100, хотя они могут направлять поток в других направлениях.
Как показано на Фиг. 5А-5В, компоновка 100 спускается в скважину для промывки. Как лучше всего показано на Фиг. 5А, сервисный инструмент 18 установлен на подвеске 14 хвостовика, которая может иметь не установленный в рабочее положение пакер, и уплотнения 16 на сервисном инструменте 18 не уплотнены в подвеске 14 хвостовика. При этом гидростатическое давление может передаваться мимо уплотнений 16.
Как показано на Фиг. 5В, внутренняя колонна 110, проходящая от сервисного инструмента 18 (Фиг. 5А), располагается проходящей через секции 140А-В фильтра компоновки 100. (Внутренняя колонна 110 может иметь обратное сужение для уменьшения давления циркуляции, если требуется). На конце секций 140А-В фильтра компоновка 100 имеет башмачный патрубок 120 с колонным башмаком 126 с обратным клапаном и седлом 124. Колонный башмак 126 с обратным клапаном имеет обратный клапан, муфту или т.п. (не показано), что обеспечивает промывку или циркуляцию текучей среды вокруг наружной части секций 140А-В фильтра при спуске в скважину и перед установкой пакера 14 в рабочее положение.
На своем дальнем конце внутренняя колонна 110 имеет выпускные окна 112, изолированные уплотнениями 114. При спуске в скважину для промывки одно из уплотнений 114 колонны, как показано на Фиг. 5В, соединяется с седлом 124 внутри башмачного патрубка 120 вблизи колонного башмака 126 с обратным клапаном. Когда колонна 110 установлена в данное положение, операторы перекачивают промывочную текучую среду вниз по внутренней колонне 110, и поток текучей среды циркуляции выходит из обратного клапана в колонном башмаке 126, поднимаясь вверх по кольцевому пространству и вокруг не установленного в рабочее положение пакера подвески 14 хвостовика.
После промывки операторы устанавливают в рабочее положение и испытывают пакер на подвеске 14 хвостовика, как показано на Фиг. 6А-6В. Для установки в рабочее положение пакера подвески операторы перекачивают текучую среду в зону забоя для гидравлической или гидростатической установки в рабочее положение пакера на подвеске 14 с использованием процедур, хорошо известных в технике, хотя другие методики установки пакера в рабочее положение можно использовать. Инструмент 106 установки пакера в рабочее положение, расположенный на внутренней колонне 110, можно использовать для данной цели, и можно использовать любой подходящий инструмент, известный в технике для гидравлической или гидростатической установки пакера в рабочее положение. Установочный инструмент 106 можно также использовать для установки других пакеров компоновки 100 в рабочее положение, хотя различные пакеры можно устанавливать в рабочее положение любыми способами, известными в технике.
Для испытания пакера на подвеске 14 после установки в рабочее положение уплотнение 16 на сервисном инструменте 18 поднимается в канал подвески, как показано на Фиг. 6А, после высвобождения из подвески 14 хвостовика. Операторы затем испытывают пакер на подвеске 14 с помощью опрессовки обсадной колонны 12. Текучая среда, проходящая через любое место утечки давления на подвеске 14, должна проходить в пласт вокруг секций 140А-В фильтра. В дополнение, любая текучая среда утечки должна проходить в выпускные окна 112 внутренней колонны и вверх к поверхности через внутреннюю колонну 110. В любом случае компоновка 100 обеспечивает операторам поддержание гидростатического давления на пласт во время данных различных этапов работы.
Когда пакер подвески 14 установлен в рабочее положение и испытан, операторы начинают заполнение гравийного фильтра. Как показано на Фиг. 7А-7В, операторы поднимают внутреннюю колонну 110 для установки в нужное положение в первом гравийном фильтре. В частности, уплотнения 114 колонны для выпускных окон 112 уплотняются внутри седел 134 на нижнем кожухе 130А. Когда указанное выполнено, окна 112 колонны сообщаются с окнами 132А кожуха и уплотнения 114 изолируют гидравлическое сообщение между ними. Для уплотнений 114 можно применять эластомерные или другие типы уплотнений, расположенных на внутренней колонне 110, и седла 134 могут являться полированными седлами или поверхностями внутри кожухов 130А-В, взаимодействующими с уплотнениями 114. Хотя показана именно такая конфигурация, обратное устройство можно использовать, где уплотнения расположены внутри кожухов 130А-В, а седла на внутренней колонне 110.
Когда окна 112/132А изолированы соединенными уплотнениями 114 и седлами 134, операторы перекачивают суспензию гравийного фильтра из текучего носителя и гравия вниз по внутренней колонне 110 в первом направлении к окнам 112 колонны. Суспензия выходит из выпускных окон 112 колонны и через окна 132А кожуха в кольцевое пространство ствола скважины. При заполнении от носка к пятке гравийного фильтра текучий носитель в суспензии уходит через пласт и/или через секции 140А-В фильтра вдоль длины компоновки 100. Вместе с тем, секции 140А-В фильтра предотвращают проход гравия в суспензии в компоновку 100. Поэтому только текучая среда проходит через секции 140А-В фильтра и возвращается через кольцевое пространство обсадной колонны над пакером на подвеске 14 хвостовика.
В конфигурации заполнения от носка к пятке, описанной в данном документе, гравий может заполнять кольцевое пространство ствола скважины альфа-бета волной, хотя другие варианты можно использовать. Когда текучая среда уходит, например, гравий выпадает из суспензии и вначале укладывается вдоль нижней стороны кольцевого пространства в стволе 10 скважины. Гравий собирается ярусами, которые продвигаются от носка (вблизи кожух 130А) к пятке (вблизи пакера 104) в альфа-волне. Гравитационные силы доминируют в образовании альфа-волны, и гравий осаждается вдоль нижней стороны на высоту подъема в положение равновесия вдоль секций 140А-В фильтра. После альфа-волны ствол 10 скважин заполняется бета-волной вдоль компоновки 100, заполнение идет от пятки (вблизи пакера 104) к носку (вблизи кожуха 130А) вдоль верхней стороны кольцевого пространства ствола скважины.
В результате операторы достигают требуемого состояния, перекачивая суспензию на окнах 132А в данном нижнем кожухе 130А. Данное требуемое состояние можно определить конкретным ростом давления и можно называть ′′выпадением песка′′ в некоторых контекстах. В данной точке операторы поднимают внутреннюю колонну 110 вновь, как показано на Фиг. 8А-8В. Уплотнения 114 теперь взаимодействуют с седлами 134 вокруг окон 132В прохода потока на следующем снабженном окнами кожухе 130В между секциями 140А-В фильтра. Операторы перекачивают суспензию вниз по внутренней колонне 110 также в первом направлении к выпускным окнам 112, 14, суспензия проходит из выпускных окон 112 и через окна 132В кожуха прохода потока.
В общем, суспензия может выходить из окон 132В прохода потока и в окружающее кольцевое пространство, если требуется. Указанное является возможным, если одно или несколько из окон 132В прохода потока сообщается напрямую с кольцевым пространством ствола скважины и не сообщается с одним из шунтов 150. Все равно, суспензия может выходить из окон 132В и в шунты 150 для укладки в другом месте в окружающем кольцевом пространстве. Хотя шунты 150 показаны определенным образом, любое требуемое устройство и число транспортных и заполняющих устройств для альтернативного пути можно использовать для подачи и доставки суспензии.
В зависимости от варианта реализации данный второй этап перекачки суспензии можно использовать для дополнительного заполнения гравием ствола 10 скважины. При этом, как показано в настоящем варианте реализации, перекачка суспензии через шунты 150 обеспечивает операторам удаление излишков суспензии из колонны 110 в ствол 10 скважин без реверса потока в колонне 110 от первого направления потока (т.е. к окнам 112 колонны). Это является отличием от реверса направления подачи текучей среды вниз по кольцевому пространству между колонной 110 и кожухами 130А-В/ фильтрами 140А-В для удаления излишков суспензии из колонны 110.
Как показано на Фиг. 8В, суспензия выходит из выпускных окон 112, через окна 132В прохода потока и через шунты 150. Из шунтов 150 суспензия выходит через боковые окна или сопла 154 в шунтах 150 и заполняет кольцевое пространство вокруг башмачного патрубка 120. Это обеспечивает заполнению гравийного фильтра альтернативный путь для заполнения гравийного фильтра ствола 10 скважины, отличающийся от основного пути компоновки от носка к пятке. В данном способе шунты 150, прикрепленные к снабженному окнами кожуху 130В над нижней секцией 140А фильтра, можно использовать для заполнения гравием конца ствола 10 скважины и/или удаления излишков гравия из внутренней колонны 110 вокруг башмачного патрубка 120.
Шунты 150 несут суспензию к низу нижней секции 140А фильтра, при этом промывочная труба не требуется на конце секции 140А. Вместе с тем байпас 128, выполненный со стороны забоя на башмачном патрубке 120, обеспечивает возврат текучей среды из скважины во время данного процесса. Данный байпас 128 может являться обратным клапаном, участком фильтра, муфтой или другим подходящим устройством, обеспечивающим возвращающейся из ствола 10 скважины текучей среде (не гравию) вход в компоновку 100. Фактически, байпас 128 как участок фильтра может иметь любую требуемую длину вдоль башмачного патрубка 120 в зависимости от варианта реализации.
Когда возвращающаяся из скважины текучая среда входит в компоновку 100 через байпас 128, возвращающаяся текучая среда может выходить из нижней секции 140А фильтра, через уложенный гравий, и обратно через верхнюю секцию 140В фильтра для прохождения на устье скважины. В других устройствах нижний снабженный окнами кожух 130А может иметь байпас, другой шунт или т.п. (не показано), который можно использовать для подачи возвращающейся текучей среды мимо уплотнений 114 и седел 134 и на устье скважины.
В некоторый момент работ можно достигать условия ′′выпадения песка′′ или увеличения давления при перекачке суспензии на данных верхних окнах 132В прохода потока. В данный момент клапан, разрывная мембрана или другое закрывающее устройство 156 в шунтах 150 может открываться, так что гравий в суспензии может заполнять внутри башмачный патрубок 120 после удаления излишков вокруг башмачного патрубка 120. В данном способе операторы могут удалять лишний гравий внутри башмачного патрубка 120.
После заполнения гравийного фильтра первой секции 102А, как рассмотрено выше, операторы поднимают внутреннюю колонну 110 в следующую секцию (т.е. секцию 102В), подлежащую заполнению гравийным фильтром. Как показано на Фиг. 9А, данная следующая секция 102В, расположенная ближе к устью скважины, может являться по существу одинаковой с предыдущей секцией 102А. Таким образом, вторая секция 102В может также иметь снабженные окнами кожухи 130А-В, секции 140А-В фильтра и шунтирующие трубы 150. Вместо выхода излишков суспензии в компоновку 100 во время удаления песка шунты 150, как показано на Фиг. 9А, могут заканчиваться на забойном конце секциии 102В для укладки песка в данной зоне во время заполнения гравийного фильтра. Многие другие этапы заполнения секции 102В гравийного фильтра являются одинаковыми с рассмотренными выше.
В качестве альтернативы на Фиг.9В показано, что следующую секцию 102В гравийного фильтра можно упростить и оборудовать снабженным окнами кожухом 130 и секцией 140 фильтра. Установка гравийного фильтра здесь включает в себя заполнение от носка к пятке вдоль секции 140 фильтра от нижнего снабженного окнами кожуха 130 до момента выпадения песка.
Данные и другие конкретные детали заполнения гравийного фильтра от носка к пятке приведены во включенной в состав патентной заявке U.S. Pat. Appl. Ser. No. 12/913981, так что они здесь не повторяются.
С. Цементирование
После завершения заполнения гравийного фильтра компоновка 100 устанавливается в положение выполнения цементирования хвостовика 170 со стороны устья скважины. Как показано на Фиг. 4C-4D и описано выше, например, внутренняя колонна 110 перемещается в направлении к устью скважины, так что снабженный окнами конец инструмента 110 уходит из секций 102А-В гравийного фильтра и становится в муфте 160А цементирования с окнами со стороны устья скважины от последнего пакера 104 (если имеется, как на Фиг. 4С) или со стороны устья скважины от последней секции 140В фильтра (как на Фиг. 4D). Операторы затем перекачивают цементную суспензию вниз по внутренней колонне 110, так что цемент заполняет кольцевое пространство вокруг верхнего хвостовика 170 для затвердевания в необсаженном стволе 10 скважины.
Одно устройство муфт 160А-В цементирования с окнами на хвостовике 170 показано более детально на Фиг. 10А. Для сообщения цемента с кольцевым пространством выпускные окна 112 на конце внутренней колонны 110 устанавливаются в нижней муфте 160А цементирования с окнами, и уплотнения 114 соединяются с седлами 164 муфты, при этом окна 112 колонны сообщаются с окнами 162 муфты. Суспензия цементирования, перекачиваемая вниз по внутренней колонне 110, выходит из муфты 160А с окнами и заполняет кольцевое пространство вокруг хвостовика 170 между подвеской 14 хвостовика и самым верхним пакером 104 (если используется).
В то время как цементирование выполняется через муфту 160А со стороны забоя скважины, окна 162 муфты 160 со стороны устья скважины, расположенной на хвостовике 170 со стороны забоя скважины от подвески 14 хвостовика, обеспечивают возвращающейся из кольцевого пространства вокруг хвостовика 170 текучей среде проход в пространство между колонной 110 и хвостовиком 170. Возвращающаяся из скважины текучая среда может затем проходить к устью скважины в обсадной колонне 12. Хотя суспензия цементирования может собираться в пространстве между внутренней колонной 110 и хвостовиком 170, операторы могут вымывать любой оставшийся материал в процессе циркуляции после окончания цементирования.
Как показано на Фиг. 10А, окна 112 на внутренней колонне 110, используемые для заполнения гравийного фильтра, можно также использовать для цементирования в данном устройстве. В качестве альтернативы, показанной на Фиг. 10В, дополнительно окна 112′ и уплотнения 114′ на внутренней колонне 110, расположенные на некотором расстоянии со стороны устья скважины от окон 112 и уплотнений 114, используемых для заполнения гравийного фильтра, можно использовать для цементирования. Двойные комплекты окон 112/112′ и уплотнений 114/114′ могут являться целесообразными, если больше или меньше окон 112′ требуется для цементирования, чем для заполнения гравийного фильтра, и если окнам 112′ цементирования требуется размер, отличающийся от размера окон 112 заполнения гравийного фильтра. Соответственно, дополнительные окна 112′ и уплотнения 114′ могут являться одинаковыми или отличающимися от уплотнений окон 112 и уплотнений 114, используемых для заполнения гравийного фильтра.
В любом случае, перекачка цементной суспензии вниз по внутренней колонне 110 направлена на выход из окон 112′ со стороны устья скважины и вход в кольцевое пространство вокруг хвостовика 170 аналогично способу, описанному выше. Поскольку окна 112 заполнения гравийного фильтра расположены со стороны забоя скважины от цементировочных окон 112′, окна 112 заполнения гравийного фильтра изолированы от потока текучей среды клапаном 115, который может закрываться, когда выполняется цементирование. По данной причине внутренний канал внутренней колонны 110 может закрываться с использованием сброшенного шара 117, вставшего в шаровое гнездо 119. Вставший в гнездо шар 117 предотвращает дальнейший проход суспензии цементирования вглубь внутренней колонны 110 и отводит суспензию цементирования в цементировочные окна 112′.
Поскольку цементировочные окна 112′ расположены со стороны устья скважины от окон 112 заполнения гравийного фильтра, цементировочные окна 112′ должны закрываться перед заполнением гравийного фильтра. По данной причине, цементировочные окна 112′ могут закрываться с использованием муфты 111 с шаровым гнездом 113. Когда муфта закрыта, суспензия гравийного фильтра, перекачиваемая вниз по внутренней колонне 110, должна проходить мимо закрытой муфты 111 в окна 112 заполнения гравийного фильтра. Когда шар 117 сброшен и прикладывается давление текучей среды, муфта 111 перемещается и открывает подачу текучей среды к цементировочным окнам 112′.
Когда муфта 111 перемещается, шар 117 может оставаться в гнезде 113 муфты или может проходить через гнездо 113. Если шар 117 остается в гнезде 113 муфты, вставший в гнездо шар 117 может закрывать подачу текучей среды через гнездо и может отводить поток суспензии цементирования к цементировочным окнам 112′. В данном случае гнездо 119 со стороны забоя скважины не требуется. Вместе с тем гнездо 113 на муфте 111 может являться расширяющимся и может выпускать шар 117 для взаимодействия с нижним гнездом 119, если используется.
В описанных выше устройствах (например, показанных на Фиг. 10А-10В) муфта 160А-В цементирования с окнами просто имеет открытые окна 162, которые должны предположительно оставаться открытыми во все время заполнения гравийного фильтра и цементирования. В зависимости от варианта реализации, наличие данных открытых окон 162 на хвостовике 170 может являться приемлемым, поскольку гидравлическое сообщение между хвостовиком 170 и кольцевым пространством ствола скважины может не являться проблематичным. В других вариантах реализации предпочтительным может являться выполнение окон 162 либо на одной или на обеих из данных муфт 160А-В с возможностью закрытия окон, по меньшей мере во время заполнения гравийного фильтра для предотвращения перетока между хвостовиком 170 и кольцевым пространством ствола скважины.
На Фиг. 11А поэтому показано другое устройство муфты 160А-В с окнами для выполнения цементирования. Здесь также скважинная муфта 160А цементирования с окнами устанавливается со стороны устья скважины от пакерующего элемента 104 (если используется), отделяющего кольцевое пространство хвостовика от секций гравийного фильтра (не показано). Данная муфта 160А может иметь клапан 165, который может открываться для выполнения цементирования, но закрываться во время заполнения гравийного фильтра. Аналогично, муфта 160В цементирования с окнами со стороны устья скважины может иметь клапан 165, который может открываться для цементирования, но закрываться во время заполнения гравийного фильтра. Клапаны 165 различных типов можно использовать, в том числе, без ограничения этим, скользящие муфты, вращающиеся муфты, разрывные мембраны и т.п.
Как один пример, в муфтах 160А-В можно применять скользящие муфты для клапанов 165 для открытия боковых окон 162 муфты для сообщения с кольцевым пространством ствола скважины. При закрытии может предотвращаться переток возвращающейся из скважины текучей среды от заполнения гравийного фильтра или других операций между кольцевым пространством и хвостовиком 170. При открытии суспензия цементирования может выходить из открытых окон 162 нижней муфты 160А в кольцевое пространство хвостовика и возвращающаяся из скважины текучая среда может входить из кольцевого пространства хвостовика в хвостовик 170 через муфту 160А со стороны устья скважины.
Данные муфты 165 могут открываться с использованием сдвигающего инструмента 108, расположенного на внутренней колонне 110, который открывает муфты 165 при проходе к устью скважины с колонной 110 через муфты 160А-В перед началом цементирования. В противоположность сдвигающимся муфтам, муфты 165 могут являться вращающимися, в таком случае вращающий инструмент 108 можно использовать.
Вне зависимости от используемого типа, муфты 165 могут закрываться в конце цементирования для осуществления эксплуатации. Размещение сдвигающего инструмента 108 должно зависеть от особенностей реализации и длины внутренней колонны 110 и компоновки 100, так что показанный сдвигающий инструмент 108 в своем местоположении на Фиг. 11А является только иллюстративным.
В приведенных выше примерах используется муфта 160В с окнами со стороны устья скважины для возвращающейся текучей среды из кольцевого пространства ствола скважины вокруг хвостовика 170. Как альтернатива, на Фиг. 11В показана компоновка 100 гравийного фильтра во время цементирования с использованием снабженной окнами подвески 180 хвостовика. Вместо прохода возвращающейся из скважины текучей среды из кольцевого пространства в хвостовик 170 через муфту с окнами, как описано выше, снабженная окнами подвеска 180 хвостовика может иметь байпас или канал 182 для возвращающейся текучей среды. Как показано на Фиг. 11В, внутренняя колонна 110 установлена со стороны забоя скважины в муфте 160А с окнами для выполнения цементирования. Со стороны устья скважины снабженная окнами подвеска 180 хвостовика со своим байпасом 182 обеспечивает возвращающейся из скважины текучей среде в стволе 10 скважины вход в обсадную колонну 12 во время цементирования.
Байпас 182 может иметь много форм. Например, подвеска 180 хвостовика может иметь промежуток между подвеской 180 хвостовика и обсадной колонной 12, действующий как байпас 182. Альтернативно, байпас 182 может являться окном, дроссельным отверстием или т.п., выполненным в подвеске 180 хвостовика. Применяющему настоящее изобретение специалисту в данной области техники понятно, что данные и другие конфигурации можно использовать для подвески 180 хвостовика, снабженной окнами.
Описание предпочтительных и других вариантов осуществления не ограничивает объем или применимость концепций изобретения, изложенных Заявителями. Для настоящего изобретения понятно, что элементы одного варианта осуществления можно комбинировать с другими описанными компонентами в другом варианте осуществления или заменять ими. В данном документе описано применение компоновок гравийного фильтра в стволах скважин, таких как необсаженные стволы скважин. В общем, данные стволы скважин могут иметь любую ориентацию, являться вертикальными, горизонтальными или наклонно-направленными. Например, горизонтальным стволом скважины можно называть любую наклонно-направленную секцию ствола скважины, образующую угол 50 градусов или больше и даже более 90 градусов относительно вертикали.
Раскрывая в данном документе концепции изобретения, заявители обладают всеми патентными правами согласно прилагаемой формуле изобретения. При этом прилагаемая формула изобретения включает в себя все модификации в полном в объеме пунктов формулы или их эквивалентов.