УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО СТВОЛА СКВАЖИНЫ ОТ ШЛАМА
DEVICE FOR CLEANING HORIZONTAL WELL BORE FROM SLURRY

Изобретение относится к нефтедобыче и может быть использовано для удаления накопившегося в стволе горизонтальной скважины шлама (песка или проппанта) с целью интенсификации притоков нефти в горизонтальных скважинах, а также с целью подготовки горизонтальной скважины для последующего проведения промыслово-геофизических исследований или иных геолого-технических мероприятий (например, ремонтных) в эксплуатационных скважинах.
Актуальность необходимости очистки горизонтального ствола от шлама (вывалов проппанта, песка) вызвана ростом темпов снижения дебитов нефти в горизонтальных скважинах после заканчивания многостадийным гидроразрывом пласта, возможностью застревания приборов промыслово-геофизических каротажа (включая аварийное заклинивание средств доставки приборов в горизонтальном стволе - движетелей типа «tractor»), уменьшением в процессе эксплуатации длины работающего интервала горизонтального ствола при невозможности промывки хвостовика заканчивания горизонтальной скважины из-за низкого текущего пластового давления.
Известны устройства для очистки стволов скважин от шлама, работающих по принципу пробоотборника (RU 2012778, 1991) или различных комбинаций режущего инструмента и размыва шлама направленными струями воды (RU 2715003, 2019).
Известны устройства для очистки стволов скважин, использующие в комбинации с гибкими трубами (колтюбингом) инструмент, прикрепляемый на конце колтюбинга и включающий в себя множество сопел, создающих разнонаправленные струи жидкости или газа в стволе скважины (CN 206860122 U, 2018, CN 204851179 U, 2015, US 2014014350 А1, 2014, СА 2782874 А1, 2014, RU 2277165, 2003).
Однако, в условиях резкого снижения пластового давления промывка чревата задавкой грязной жидкости из ствола в пласт (в трещины) и тем самым повышением скин-фактора кольматации пласта и трещин многостадийного гидроразрыва пласта по всей длине ствола горизонтальной скважины, что в свою очередь еще больше снизит продуктивность скважины.
Также известны устройства, позволяющие вести промывку с минимальным воздействием на пласт (без или с минимальной репрессией - в условиях аномально низких пластовых давлений разрабатываемой залежи нефти или газа), предусматривающие применение насадок на трубах (насосно-компрессорных или колтюбинговых), и работающих по принципу эжектора (струйного насоса) с созданием в процессе очистки ствола депрессионного воздействия на пласт (RU 2471958, 2011, RU 2563896, 2014, RU 2393332, 2009). Возможность создания эффекта «всасывания» шлама в накопительные камеры-ловушки может также обеспечиваться за счет помещения на забой герметичных камер с пониженным (атмосферным) давлением, оборудованных специальными клапанами (RU 2246607, 2002), либо же для снижения забойного отбора во время промывки ствола по трубам с поверхности прокачивается газ (азот или воздух), а также пенная смесь - RU 2679779, 2017, RU 2630938, 2016, CN 206111115 U, 2017.
Известны устройства для очистки стволов скважин от шлама, включающие насадку, вращение которой или ее части создается гидротурбиной под действием подаваемого с поверхности потока жидкости, что позволяет управлять направлением промывочных струй а также усиливать (благодаря вращающимся соплам) эффект очищения стенок ствола скважины от твердых частиц шлама, в том числе, механически воздействовать (эффекты: скребка, резца или фрезерования песчаной пробки) на отложения шлама (RU 2408777, 2009, RU 2339790, 2007, RU 2714647, 2018, CN 208885186 U, 2019, CN 108999593 А1, 2018, US 2018066499 А1, 2018, CN 204941392 U, 2016, CN 203321384 U, 2013, WO 2012170464 A2, 2012).
Технические решения, описанные в патентах US 6173771 B1, 2001 и ЕР 0921268 А2, 1999, предусматривают использование инструментов очистки ствола на колтюбинге и содержат гидравлический двигатель (гидротурбину), который вращает не только струйную головку с многочисленными радиальными соплами, но и «фрезерную» головку, непосредственно контактирующую с отложениями шлама (т.е. дополнительно к промывке обеспечивающую механическую очистку ствола).
Указанные устройства выполняют функции по размыву слипшегося шлама посредством воздействия на него специально сформированными струями рабочей жидкости, образованными при прохождении потока жидкости (подаваемой внутрь корпуса через колтюбинговые трубы) через форсунки (сопла). Повышение эффективности очистки достигается вращением обоймы с форсунками при истечении из них рабочей жидкости и направленностью струй в противоположные стороны. Кроме того, данные устройства частично позволяют захватывать механические частицы шлама из ствола скважины благодаря эжекторному принципу затягивания в зону разряжения давления, создаваемого за счет перепада давления на выходе из форсунок.
Однако указанные устройства не исключают создание репрессии на пласт после воздействия струями рабочего агента на вещество внутри ствола горизонтальной скважины, т.к. агент вместе со шламом, вследствие избыточного давления в стволе, попадает в ближнюю околоскважинную зону пласта и сам загрязняет его при условии изначально пониженного пластового давления в залежи.
Известно устройство для очистки горизонтального ствола скважины от шлама, включающее насадку, закрепляемую на башмаке колонны насосно-компрессорных или колтюбинговых труб, содержащую корпус не вращающейся части насадки и корпус вращающейся части насадки, сопло, а также лопатки с левым и правым направлениями (Сборник научно-технической конференции, посвященной 60-летию разработки Ромашкинского нефтяного месторождения, Д.В. Гуськов, Р.Г. Шайдуллин, 2008, стр. 270-272). При продавливании рабочей жидкости через насадку поток, ударившись о лопатку с левым направлением и отклонившись от прямолинейного движения, ударяется о лопатку с правым направлением, приводя во вращение корпус вращающейся части насадки.
Основным недостатком описанного устройства является невозможность обеспечения депрессионного эффекта вдоль всего горизонтального ствола и, соответственно, невозможность применения для объектов разработки с пониженным пластовым давлением.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для очистки ствола скважины с применением колтюбинговых труб в условиях аномально низких пластовых давлений, состоящее из струйного насоса (эжектора), соединенного с колтюбинговой трубой, узла разобщения, включающего патрубок, коаксиально установленный в корпусе с образованием всасывающего кольцевого канала, верхний и нижний пакерующие элементы, расположенные на корпусе, и узла разрушения в виде гидроударного устройства, при этом струйный насос расположен над узлом разобщения и имеет всасывающую кольцевую полость, патрубок в средней и нижней частях, а корпус в верхней и средней частях имеют радиальные циркуляционные отверстия (RU 23114411, 2006).
Известное устройство за счет включения в компоновку нижней части колтюбинговых труб насосно-вакуумного устройства, позволяет создавать в призабойной зоне скважины депрессию на пласт, обеспечивает постоянную герметизацию межтрубного пространства с передвижением устройства без трения о стенки насосно-компрессорных, существенно улучшает процесс разрушения песчаной пробки и вынос механических частиц на поверхность.
Недостатком известного устройства является низкая эффективность очистки ствола скважины от шлама, обусловленная следующими причинами:
• ограниченность камеры для сбора шлама - устройство с камерой подвешивается в скважине на одиночной нитке колтюбинга, вследствие чего непрерывная транспортировка шлама на поверхность в условиях депрессионного отбора является в принципе невозможной,
• невозможность длительной подачи по колтюбингу на забой рабочей жидкости, так как в условиях ограничений процедуры отбора при депрессии ее сложно транспортировать на поверхность по межтрубному пространству без предварительной пакеровки межтрубного пространства (остается гидродинамическая связь зоны подъемника с зоной фильтра),
• механическое соскабливание (фрезерование) отложений шлама при их удалении из ствола в данном устройстве в значительной степени ограничено, так как в устройстве отсутствует скребковый элемент.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности очистки ствола скважины от шлама в режиме непрерывной транспортировки шлама на поверхность без ограничения по объему отбираемого с забоя вещества шлама, в том числе, в условиях уже уплотненных (сцементировавшихся или склеенных вязкими битумами) на забое горизонтальной скважины конгломератов шлама, для транспортировки которых потоком закачиваемого агента (воды) необходимо предварительное механическое воздействие на шлам (скребкование и дробление).
Указанная проблема решается тем, что устройство для очистки горизонтального ствола скважины от шлама содержит шламоуловительную насадку и систему доставки в скважину шламоуловительной насадки, промывки ствола скважины и транспортировки шлама на поверхность, которая выполнена в виде двух коаксильно расположенных колтюбинговых труб, на башмаке которых закреплена шламоуловительная насадка, а полость внутренней трубы подсоединена к гидронасосу, установленному на устье скважины, шламоуловительная насадка размещена в хвостовике заканчивания скважины и состоит из неподвижного цилиндрического корпуса с установленным в его полости с возможностью вращения относительно него подвижного модуля, который выполнен в виде двух жестко соединенных между собой коаксиальных труб, в полостях которых закреплены шнековые лопатки с противоположным направлением относительно друг друга, образующие винтовые шнековые транспортеры, при этом в носочной области внешней и внутренней труб подвижного модуля размещены форсунки, входные сопла которых сообщаются с полостью внутренней трубы, а выходные - с полостью внешней трубы с ориентацией их в направлении устья скважины, причем коаксиальные трубы подвижного модуля и коаксильно расположенные колтюбинговые трубы имеют равные диаметры и установлены с возможностью гидравлического сообщения, соответственно, полостей внутренней трубы подвижного модуля с внутренней трубой колтюбинговых труб и внешней трубы подвижного модуля с внешней трубой колтюбинговых труб, торцевой конец внутренней трубы шламоуловительного модуля, обращенный к забою, выполнен заглушенным и размещен на опоре с возможностью вращения, а торцевой конец внешней трубы выполнен открытым, при этом свободные концевые торцы цилиндрического корпуса, обращенные к забою, выполнены с острыми кромками.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении проведения в едином непрерывном замкнутом цикле за одну спуско-подъемную операцию стадий разрушения отложений, промывки ствола скважины и выноса шлама на поверхность без создания репрессии на пласт, а также с предотвращением засорения прискважинной зоны в условиях аномально пониженного пластового давления, в том числе, при горизонтальном заканчивании скважины с многостадийным гидроразрывом пласта.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого устройства, на фиг. 2 приведена принципиальная схема шламоуловительной насадки.
На фиг. 1 показаны фонтанная арматура 1, гидронасос 2, система доставки шламоуловительной насадки в скважину, промывки ствола скважины и транспортировки шлама на поверхность 3, шламоуловительная насадка 4. Позициями 5 и 6, соответственно, обозначены вертикальная и горизонтальная части скважины.
Система доставки шламоуловительной насадки в скважину, промывки ствола скважины и транспортировки шлама на поверхность 3 выполнена в виде двух коаксильно расположенных колтюбинговых труб - внешней 7 и внутренней 8, на башмаке 9 которых закреплена шламоуловительная насадка 4, размещенная в хвостовике заканчивания скважины 10 (фиг. 2).
При этом полость внутренней трубы 8 коаксильно расположенных колтюбинговых труб подсоединена к гидронасосу 2, установленному на устье скважины.
Шламоуловительная насадка 4 состоит из неподвижного цилиндрического корпуса 11 с установленным в его полости с возможностью вращения относительно него подвижного модуля 12, который выполнен в виде двух жестко соединенных между собой коаксиальных труб: внешней 13 и внутренней 14.
В полостях труб 13 и 14 закреплены шнековые лопатки 15 и 16 с противоположным направлением относительно друг друга, образующие винтовые шнековые транспортеры.
В носочной области внешней 13 и внутренней 14 труб подвижного модуля 12 размещены форсунки 17, входные сопла 18 которых сообщаются с полостью внутренней трубы 14, а выходные 19 - с полостью внешней трубы 13 с ориентацией их в направлении устья скважины.
Коаксиальные трубы 13 и 14 подвижного модуля 12 и коаксильно расположенные колтюбинговые трубы 7 и 8 имеют равный диаметр и гидравлически сообщаются между собой, соответственно, гидравлическую взаимосвязь имеют: полость внутренней трубы 14 подвижного модуля 12 шламоуловительной насадки 4 с внутренней трубой 8 колтюбинговых труб и внешняя труба 13 подвижного модуля шламоуловительной насадки с внешней трубой 7 колтюбинговых труб.
Торцевой конец внутренней трубы 14 подвижного модуля 12, обращенный к забою, выполнен заглушенным и закреплен посредством шипа 20 на опоре 21 с обеспечением вращения.
На торцах неподвижного цилиндрического корпуса 11 шламоуловительной насадки установлены крестовины 22.
Функцию опоры 21 выполняет, как показано на фиг. 2, задняя стенка цилиндрического корпуса 11 между крестовинами 22.
Свободные концевые торцы цилиндрического корпуса 11, обращенные к забою, выполнены с острыми кромками 23.
Между неподвижным корпусом 11 и подвижным модулем 12, состоящим из труб 13 и 14, и между шипом 20 и опорой 21 установлены подшипники качения 24.
На фиг. 2 позицией 25 обозначены частицы шлама, удаляемого с забоя скважины.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Спуск устройства, включающего шламоуловительную насадку 4 и систему доставки шламоуловительной насадки в скважину, промывки ствола скважины и транспортировки шлама на поверхность 3, осуществляется через фонтанную арматуру 1, расположенную на устье скважины, после чего вся конструктивная сборка спускается сначала в вертикальную часть 5 ствола скважины, а затем непосредственно в горизонтальную часть 6 ствола.
После спуска устройства с поверхности осуществляется подача закачиваемого с поверхности агента (воды) с расчетным объемом с помощью гидронасоса 2 по внутреннему пространству колтюбинговой трубы 8.
Корпус 11 насадки 4 с элементами скребка в виде выступающих вперед острых кромок 23, а также шнековые лопатки 15, работающие по принципу лопастей винта Архимеда, при движении (спуске) всей сборки по направлению к «носку» горизонтального ствола обеспечивают механическое воздействие на конгломераты шлама 25, дробят и захватывают их с последующим транспортированием в межтрубное пространство между внешней колтюбиновой трубой 7 и внутренней колтюбинговой трубой 8 и подъемом на поверхность для дальнейшей утилизации.
Поток агента, подаваемый с большой скоростью на забой во внутреннюю трубу 14 подвижного модуля 12, приводит во вращение разнонаправленные шнековые лопатки 16 подвижного модуля 12 и, соответственно, обеспечивает его вращение относительно неподвижного корпуса 11.
Вращение подвижного модуля 12 шламоуловительной насадки 4 обеспечивается благодаря действию потока закачиваемой через внутреннюю трубу 14 жидкости, которая выходя через форсунки 17 из внутренней трубы 14 (работающей по принципу гидромотрра (гидротурбины)) начинает двигаться в обратном направлении внутри внешней трубы 13, захватывая частицы шлама 25.
Кроме того, на шнековые лопатки 15 через форсунки 17, входные сопла 18 которых сообщаются с полостью внутренней трубы 14, начинают воздействовать струи потока воды, обеспечивая улучшение выноса твердых частиц в потоке в сторону поверхности скважины. Сопла 19 форсунок 17 также дополнительно выполняют роль эжектора, благодаря чему сразу за ними образуется локальное разрежение (зона пониженного давления), что способствует засасыванию мелких твердых частиц шлама по направлению обратно перенаправленного потока жидкого агента (т.е. в сторону устья скважины).
Конструкция лопаток 15 и 16, изготовленных по образу винта Архимеда, не позволяет прокачиваемой по колтюбинговой трубе 8 и далее по трубам 13 и 14, а также внутри колтюбинговой трубы 7 жидкости выходить наружу из внутреннего пространства шламоуловительной насадки 4, что обеспечивает депрессионный режим работы всей системы шламоуловителя.
Скорость потока жидкого агента рассчитывается таким образом, чтобы твердые частицы не могли отложиться в межтрубном пространстве колтюбинговых труб 7 и 8 - особенно до того, как начнется их вертикальный подъем. Технология подъема шлама на основе системы сдвоенных колтюбингововых труб 7 и 8 и закрепленной на них шламоуловительной насадки 4 сопровождается непрекращающимся процессом подачи агента (воды) на забой - для предотвращения отложения частиц шлама в серповидном кольцевом пространстве между трубами колтюбинга 7 и 8 (и тем самым утяжеления компоновки).
Вынос шлама и отработанной жидкости производится через межтрубное пространство колтюбинговых труб 7 и 8. Подвижный модуль 12 шламоуловительной насадки, работающий по принципу гидромотора (гидротурбины) пригоден для эксплуатации в условиях высоких значений забойного давления и обладает удовлетворительными характеристиками по мощности усилия для вращения подвижной части 12 шламоуловительной насадки 4.
При этом вода (агент), подаваемая с поверхности от гидронасоса 2 для работы подвижного модуля 12 насадки 4, в предлагаемой конструкции, не попадает в ствол горизонтальной скважины (а значит, не загрязняет пласт и трещины), но одновременно используется для смыва проппанта (песка) с лопаток 15 и далее - для дальнейшего транспортирования твердых частиц на поверхность через межтрубное пространство двойного колтюбинга.
Таким образом, реализация перечисленных дополнительных технологических приемов позволяет избежать негативных процессов кольматации пласта и одновременно за одну спускоподъемную операцию осуществить проходку вдоль всего ствола горизонтальной скважины (практически без ограничения его протяженности) с целью разрушения и удаления осадков твердого слежавшегося в стволе шлама. В результате повышается производительность скважины по добыче нефти и обеспечиваются условия по подготовке скважины для проведения в ней необходимых геолого-технологических операций или для проведения каротажных геофизических исследований.
Реализованный в предлагаемом устройстве принцип очистки расширяет область его применения: устройство может быть использовано как в вертикальных и наклонно-направленных, так и в протяженных горизонтальных скважинах, при этом проведение всей операции по шламоудалению из ствола скважины не требует предварительного глушения действующей нефтяной или газовой скважины.
Устройство может функционировать длительное время (пока с поверхности по колтюбинговой трубе подается жидкий агент (вода), необходимый для вращения подвижного модуля насадки, захвата, дробления и транспортирования на поверхность частиц шлама), благодаря чему нет ограничений по объему удаляемого с забоя шлама.
Процесс шламоудаления за одну спуско-подъемную операцию глубинного оборудования благодаря использованию в насадке винтовых шнековых транспортеров, сконструированных по принципу винта Архимеда, исключает какое-либо создание репрессии на пласт и не приводит к засорению его прискважинной зоны в условиях аномально пониженного пластового давления, даже при горизонтальном заканчивании скважины с многостадийным гидроразрывом пласта.
Устройство позволяет обеспечить герметичность подвижного модуля и колтюбинговых труб от остального пространства скважины и значительно уменьшить требуемый расход подаваемой для очистки ствола скважины жидкости (воды), при этом одновременно достигается повышенная жесткость всей конструкции, необходимая для повышения качества скребкования шлама в условиях горизонтального заканчивания скважины.
Предлагаемое устройство обеспечивает оперативное удаление загрязняющих ствол горизонтальных скважин твердых осадков (шлама) экономичным способом (за одну спускоподъемную операцию) в условиях пониженного пластового давления (исключающего возможность обычной промывки ствола через трубы колтюбинга), а также для технологических условий, когда шламовых отложений на забое горизонтальной скважины чрезвычайно много и они достаточно плотно слежались, образовав трудноудаляемые конгломераты (тем самым фактически сделав невозможным дальнейшую проектную работу горизонтальной скважины по всей пробуренной длине ствола).
Кроме того, предлагаемая конструкция в условиях высоких рисков высопов в ствол скважины больших объемов проппанта или песка обеспечит оперативное удаление веществ, препятствующих работе горизонтальных скважин по добыче нефти и тем самым снижающих сроки эксплуатации скважин, а также степень выработки пластов.