СПОСОБ И СИСТЕМА ЭКСПЛУАТАЦИИ И КОНТРОЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СКВАЖИНЫ ИЛИ СКВАЖИНЫ ПОДЗЕМНОГО ХРАНИЛИЩА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
METHOD AND SYSTEM FOR OPERATION AND MONITORING OF PRODUCTION WELL OR WELL OF UNDERGROUND STORAGE OF FLUID MEDIUM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе эксплуатации и контроля эксплуатационной скважины или скважины подземного хранилища добываемой текучей среды, такой как природный газ, содержащей эксплуатационную колонну и цементную оболочку, расположенную между обсадной колонной и пластом породы, через который проходит скважина.
Изобретение относится также к способу эксплуатации и контроля эксплуатационной скважины или скважины подземного хранилища добываемой текучей среды, причем этот контроль включает в себя отслеживание укладки и целостности защитного цементного барьера.
Уровень техники
На целостность эксплуатационной скважины или скважины подземного хранилища добываемой текучей среды, такой как углеводород или природный газ, могут влиять присутствие пустот во время заполнения цементом кольцевого пространства, находящегося между обсадной колонной эксплуатационной скважины и окружающим пластом, или старение цемента. Эти два фактора приводят к непредвиденным остановкам производства, которые сложно прогнозировать, если не обеспечивать регулярный контроль целостности этой цементной оболочки.
Поэтому желательно иметь возможность надежного и эффективного контроля целостности цементной оболочки, чтобы прогнозировать остановки производства и предпринимать соответствующие действия для минимизации производственных потерь, связанных с остановкой эксплуатации.
Существуют буры и способы каротажного бурения, которые позволяют производить точечную диагностику скважины. Таким образом, можно отслеживать состояние (растрескивание или дефект) цемента и обнаруживать некачественное цементирование (неполное заполнение кольцевого пространства). Основной недостаток этого метода состоит в том, что он является интрузивным и требует остановки производства, так как бур необходимо вводить внутрь обсадной колонны, что требует извлечения эксплуатационной колонны.
Известны также непрямые измерения для обнаружения утечки, например, такие как анализ текучих сред или анализ давления снаружи скважины. Все эти непрямые методы могут подтвердить наличие, но не упредить проблему.
Таким образом, каротажное бурение и непрямые методы не позволяют ни отслеживать состояние цемента в долгосрочном порядке, ни контролировать цементирование, то есть получить способ, обеспечивающий упреждение остановок производства.
Было также предложено распределять датчики в цементной оболочке, расположенной между обсадной колонной эксплуатационной скважины или скважины подземного хранилища текучей среды и пластом породы, через который проходит скважина, чтобы контролировать целостность цементной оболочки и отслеживать ее старение. Однако этот способ не гарантирует равномерного распределения датчиков внутри цементной оболочки. Кроме того, нанометрический размер погружаемых датчиков, необходимый для включения датчиков в цемент, не обеспечивает автономного и беспроводного питания энергией и связи между автономными датчиками, необходимых для их работы.
Кроме того, из документа WO 2011/017415 А2 известна буровая скважина, оснащенная температурными датчиками и тензометрами, распределенными вдоль обсадной колонны между этой колонной и цементной оболочкой, причем эти датчики можно размещать в последовательных горизонтальных плоскостях или располагать по спиральной линии.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеупомянутых недостатков и обеспечение возможности надежного и эффективного контроля правильной укладки и целостности цементной оболочки между обсадной колонной и пластом породы, чтобы иметь возможность прогнозировать остановки работы эксплуатационной скважины или скважины подземного хранилища текучей среды и предпринимать соответствующие меры для минимизации производственных потерь, связанных с остановкой эксплуатации.
В связи с этим объектом изобретения является система эксплуатации и контроля эксплуатационной скважины или скважины подземного хранилища добываемой текучей среды, такой как углеводород, геотермальная вода, диоксид углерода или природный газ, содержащая эксплуатационную колонну, в которой проходит указанная добываемая текучая среда, защитную обсадную колонну, расположенную вокруг эксплуатационной колонны через кольцевую текучую среду, и цементную оболочку, расположенную между обсадной колонной и пластом породы, через который проходит скважина, отличающаяся тем, что содержит снаружи обсадной колонны между этой колонной и цементной оболочкой комплект электронных блоков, распределенных в заранее определенных положениях в последовательных плоскостях, перпендикулярных к обсадной колонне и отстоящих друг от друга в осевом направлении вдоль обсадной колонны, при этом каждый электронный блок содержит средство связи электронного блока с другим электронным блоком или с терминалом на поверхности, блок питания энергией электронного блока и по меньшей мере один из следующих элементов: а) блок обнаружения, содержащий по меньшей мере один датчик физической или химической величины, и b) блок обработки сигналов, при этом по меньшей мере один электронный блок выполнен в виде ретрансляционного блока, в котором средства связи содержат средства приема сигналов, передаваемых окружающими электронными блоками, и средства передачи сигналов, принятых от окружающих электронных блоков и усиленных блоком обработки сигналов.
Каждый блок обнаружения может содержать датчик, соответствующий измерению только одного типа физической или химической величины.
Вместе с тем, согласно версии выполнения, каждый блок обнаружения содержит набор из нескольких датчиков, соответствующих измерению нескольких разных физических или химических величин.
Автономные датчики, обеспечивающие измерение физической или химической величины в объеме цементной оболочки с целью контроля ее целостности, могут включать в себя ультразвуковые датчики, радиолокационные датчики и/или терагерцовые датчики и дополнительно температурные датчики и/или тензометры.
В зависимости от предусмотренного варианта применения вокруг обсадной колонны в одной плоскости, перпендикулярной к указанной обсадной колонне, распределены от одного до восьми электронных блоков.
Согласно предпочтительному частному варианту выполнения, средство связи содержит средства беспроводной связи, такие как радиоволны, электромагнитные волны, акустические волны или поверхностные токи.
Предпочтительно средства радиосвязи для передачи информации по радио в цементной оболочке используют частоту, составляющую от 169 МГц до 2,4 ГГц. Это позволяет сочетать разумный (сантиметровый) размер антенны и достаточную дальность действия (порядка десятка метров).
Согласно другому возможному варианту выполнения, средство связи содержит средства проводной связи.
Электронные блоки могут быть закреплены непосредственно на обсадной колонне посредством механического соединения, такого как приклеивание, пайка или сварка.
Согласно частному варианту выполнения, электронные блоки устанавливают в прямом контакте с обсадной колонной, после чего электронные блоки и обсадную колонну закрывают защитным полимерным слоем, предназначенным для предохранения электронных блоков и обсадной колонны и для обеспечения удержания электронных блоков на обсадной колонне.
Согласно другому варианту выполнения, электронные блоки расположены на сплошной ленте, приклеенной на образующей обсадной колонны и входящей в контакт с цементной оболочкой.
Изобретение позволяет располагать датчики в очень точных местах вдоль обсадной колонны.
Согласно варианту выполнения, первый комплект электронных блоков первого типа располагают в плоскостях, перпендикулярных к обсадной колонне и отстоящих друг от друга в осевом направлении, в большей, первой сети, тогда как второй комплект электронных блоков второго типа располагают в плоскостях, перпендикулярных к обсадной колонне и отстоящих друг от друга в осевом направлении, в меньшей, второй сети.
Например, электронные блоки, содержащие по меньшей мере один блок обнаружения, расположены в плоскостях, перпендикулярных к обсадной колонне и отстоящих друг от друга в осевом направлении на расстояние от 10 см до 10 м.
Электронные блоки, не содержащие блока обнаружения, могут быть расположены в плоскостях, перпендикулярных к обсадной колонне и отстоящих друг от друга в осевом направлении на расстояние от 5 до 100 м.
В частности, изобретение относится к системе, в которой блоки обнаружения содержат по меньшей мере один датчик, выбранный из группы, в которую входят датчики температуры, давления, напряжения и целостности, такие как датчики плотности или присутствия материала или окружающей химической среды, например, присутствия воды или серы.
Согласно частному варианту выполнения электронные блоки имеют толщину от 1 до 20 мм.
Блок питания энергией электронных блоков содержит средства накопления электрической энергии, такие как батарея или суперконденсатор.
Можно использовать, в частности, высокотемпературные элементы питания, такие как литиевые элементы с твердым катодом емкостью порядка 10-50 Ватт-часов в зависимости от применяемого протокола передачи информации, или систему топливных микроэлементов.
Блок питания энергией электронных блоков может также содержать средства сбора энергии, такой как электромагнитная энергия, передаваемая вдоль обсадной колонны, или сбора механической или тепловой энергии при помощи магнитно-индукционных преобразователей, пьезоэлектрических преобразователей или преобразователей на эффекте Зеебека.
Так, согласно частному варианту выполнения, по меньшей мере один электронный блок, выполненный в виде ретрансляционного блока, отбирает энергию из окружающей среды для питания по меньшей мере одного блока обнаружения, содержащего по меньшей мере один датчик физической или химической величины, и/или по меньшей мере одного блока обработки сигналов. Таким образом, можно получать дополнительную энергию за счет отбора тепловой энергии в скважине, используя температурный градиент между окружающей средой и добываемой текучей средой.
Объектом изобретения является также способ изготовления обсадной колонны эксплуатационной скважины или скважины подземного хранилища добываемой текучей среды, отличающийся тем, что содержит этапы, на которых:
- обеспечивают комплект элементов обсадной колонны;
- перед введением в эксплуатационную скважину на каждом элементе обсадной колонны крепят комплект электронных блоков, распределенных в заранее определенных положениях в последовательных плоскостях, перпендикулярных к обсадной колонне и отстоящих друг от друга в осевом направлении вдоль обсадной колонны, при этом каждый электронный блок содержит средство связи электронного блока с другим электронным блоком или с терминалом на поверхности, блок питания энергией электронного блока и по меньшей мере один из следующих элементов: а) блок обнаружения, содержащий по меньшей мере один датчик физической или химической величины, и b) блок обработки сигналов, при этом по меньшей мере один электронный блок выполнен в виде ретрансляционного блока, в котором средства связи содержат средства приема сигналов, передаваемых окружающими электронными блоками, и средства передачи сигналов, принятых от окружающих электронных блоков и преобразованных блоком обработки сигналов; и
- элементы обсадной колонны соединяют встык для получения обсадной колонны.
Согласно этому способу изготовления обсадной колонны эксплуатационной скважины, этап крепления электронных блоков на обсадной колонне осуществляют на образующей элемента обсадной колонны посредством приклеивания, пайки или сварки, и электронные блоки закрывают защитным полимерным слоем.
Объектом изобретения является также способ эксплуатации и контроля эксплуатационной скважины или скважины подземного хранилища добываемой текучей среды, такой как углеводород, геотермальная вода, диоксид углерода или природный газ, содержащий этапы, на которых выполняют буровую скважину в геологическом пласте, в буровой скважине располагают защитную обсадную колонну и между обсадной колонной и геологическим пластом укладывают цементную оболочку, отличающийся тем, что обсадную колонну выполняют согласно описанному выше способу изготовления.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания частных вариантов выполнения, представленных в качестве примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 показан схематичный вид в вертикальном разрезе скважины, снабженной заявленной системой эксплуатации и контроля;
на фиг. 2 – вид в разрезе по линии II-II фиг. 1;
на фиг. 3 – схема основных компонентов примера электронного блока, который можно применять в заявленной системе эксплуатации и контроля.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 представлен пример эксплуатационной скважины или скважины подземного хранилища добываемой текучей среды, такой как углеводород, геотермальная вода, диоксид углерода или природный газ, в котором можно применять изобретение. На фиг. 1 показана вертикальная скважина, но изобретение можно также применять для скважины, имеющей наклон относительно вертикали.
На фиг. 1 показаны эксплуатационная колонна 20, в которой проходит добываемая текучая среда, защитная обсадная колонна 60, расположенная вокруг эксплуатационной колонны 20 через кольцевую текучую среду 25, и цементная оболочка 30, расположенная между обсадной колонной 60 и пластом 70 породы, через который проходит скважина. Снаружи обсадной колонны 60 между этой колонной и цементной оболочкой 30 находится комплект электронных блоков 110, распределенных в заранее определенных положениях в последовательных плоскостях, перпендикулярных к обсадной колонне 60 и отстоящих друг от друга в осевом направлении вдоль обсадной колонны 60.
Как схематично показано на фи. 3, каждый электронный блок 110 содержит по меньшей мере одно средство 14 связи электронного блока 110 с другим электронным блоком или с терминалом 100 на поверхности, блок 13 питания энергией электронного блока и по меньшей мере один из следующих элементов:
а) блок обнаружения, содержащий по меньшей мере один датчик 11 физической или химической величины, и
b) блок 12 обработки сигналов.
Таким образом, электронный блок 110, содержащий только блок обнаружения в соответствии с пунктом а), является автономным блоком, выполненным с возможностью измерения по меньшей мере одной физической или химической величины и с возможностью передачи этого измерения либо в другой электронный блок 110, который будет служить ретранслятором для передачи этого измерения, либо в терминал 100 на поверхности, который обеспечивает сбор и анализ измеряемых данных.
Электронный блок, содержащий только блок 12 обработки в соответствии с пунктом b), является, таким образом, ретранслятором, выполненным с возможностью приема данных от других электронных блоков, в частности от датчиков физической или химической величины, и с возможностью их передачи либо в другой электронный блок 110, который тоже будет служить ретранслятором, либо в терминал 100 на поверхности. Блок 12 обработки сигналов обеспечивает фильтрацию и преобразование принимаемых сигналов, чтобы сохранить качество переданного сигнала. Такой электронный блок содержит также средства приема сигналов, такие как антенна, адаптированная для сигналов. Для большей ясности электронный блок 110, обеспечивающий ретрансляцию сигналов, будет называться ретрансляционным блоком.
Электронные блоки 110 могут быть выполнены таким образом, чтобы содержать блок обнаружения с датчиком 11 и блок 12 обработки сигналов и чтобы сочетать в себе функции ретранслятора и измерения физических или химических величин, как показано на фиг. 3.
Каждый блок обнаружения может содержать либо один датчик 11, соответствующий измерению только одного типа физической или химической величины, либо набор из нескольких датчиков 11 измерения разных физических или химических величин.
На фиг. 2 показано устройство, содержащее только один электронный блок 110, находящийся в одной горизонтальной плоскости, перпендикулярной к вертикальной обсадной колонне 60, но это число может быть другим. Как правило, вокруг обсадной колонны 60 в одной плоскости, перпендикулярной к обсадной колонне 60, могут быть распределены от одного до восьми электронных блоков 110.
Средство 14 связи, связанное с электронными блоками 110, может содержать средства беспроводной связи, такие как радиоволны, акустические волны, электромагнитные волны или поверхностные токи, или, согласно другому варианту выполнения, может содержать средства проводной связи.
Предпочтительно средства радиосвязи для передачи информации по радио в цементной оболочке используют частоту, составляющую от 169 МГц до 2,4 ГГц. Это позволяет сочетать разумный (сантиметровый) размер антенны и достаточную дальность действия (порядка десятка метров).
Электронные блоки 110 могут быть закреплены непосредственно на обсадной колонне 60 или могут быть расположены на сплошной ленте 61, приклеенной на образующей обсадной колонны 60 и входящей в контакт с цементной оболочкой 30. Согласно частному варианту выполнения, датчики закрепляют на металлической ленте, которую затем смыкают и затягивают вокруг обсадной колонны 60.
Электронные блоки 110 могут содержать средства 12 передачи, выполненные с возможностью передачи сигналов измерения от одного блока к другому в направлении базы 100, находящейся на поверхности земли.
Электронные блоки 110 могут быть закреплены при помощи клея на обсадной колонне 60 или на гибкой подложке, опоясывающей обсадную колонну 60.
В случае, когда обсадная колонна 60 выполнена из стали, электронные блоки 110 можно также крепить на обсадной колонне 60 посредством пайки или сварки.
Согласно предпочтительному варианту выполнения, электронные блоки 110 вводят в прямой контакт с обсадной колонной 60, после чего электронные блоки 110 и обсадную колонну 60 закрывают защитным полимерным слоем 61, предназначенным для предохранения электронных блоков и обсадной колонны во время сгибания и подготовки обсадной колонны и в ходе операций до и во время установки обсадной колонны, а также для обеспечения удержания электронных блоков 110 на обсадной колонне 60.
Как правило, электронные блоки 110 содержат микрокомпоненты, чтобы уменьшить размер электронного блока. Таким образом, обычно электронные блоки 110 имеют толщину, составляющую от 1 до 20 мм. Электронные блоки 110 могут быть покрыты защитным полимерным слоем 61.
Вместе с тем, включение некоторых компонентов, например, таких как батарея, может привести к увеличению толщины электронных блоков 110, например, их толщина может достигать 50 мм. В этом случае обсадная колонна 600 будет содержать гнезда размером и глубиной, соответствующими электронным блокам 110, чтобы последние можно было утопить в обсадной колонне перед нанесением защитного полимерного слоя 61.
Согласно предпочтительной, но не ограничительной конфигурации, первый комплект электронных блоков 110, каждый из которых содержит элемент 11 обнаружения первого типа физической или химической величины, располагают в плоскостях, перпендикулярных к обсадной колонне 60 и отстоящих друг от друга в осевом направлении, в большей, первой сети длиной L1, при этом они обозначены на фиг. 1 как блоки 111, 112, 11, 116 и 118.
В этом случае второй комплект электронных блоков 110, каждый из которых содержит элемент 11 обнаружения второго типа физической или химической величины, располагают в плоскостях, перпендикулярных к обсадной колонне 60 и отстоящих друг от друга в осевом направлении, в меньшей, второй сети длиной L2, по меньшей мере на части высоты обсадной колонны 60, и которые обозначены на фиг. 1 как блоки 113, 114, находящиеся на уровне пласта 40, и блоки 116, 117, находящиеся на уровне пласта 50. Следует отметить, что блоки, такие как блок 116, могут быть общими для двух сетей и в этом случае они содержат элементы 11 обнаружения одновременно первого и второго типов физических и химических величин.
Электронные блоки 110 могут быть расположены в плоскостях, перпендикулярных к обсадной колонне 60, отстоящих друг от друга в осевом направлении на расстояние от 10 см до 10 м, хотя в зависимости от вариантов применения можно предусмотреть и другие интервалы значений.
Предпочтительно электронные блоки 110, содержащие по меньшей мере один блок обнаружения, располагают в плоскостях, перпендикулярных к обсадной колонне и отстоящих друг от друга в осевом направлении на расстояние от 10 см до 10 м, чтобы получить сеть датчиков для обнаружения изменений в цементной оболочке 30. Кроме того, сеть датчиков 11 можно модулировать в зависимости от встречаемых геологических пластов. Так, сеть датчиков температуры или давления можно адаптировать для глубины бурения, при этом сеть все более уплотняется с глубиной скважины.
Аналогично, электронные блоки 110, не содержащие по меньшей мере одного блока обнаружения, в частности ретрансляционные блоки, располагают в плоскостях, перпендикулярных к обсадной колонне 60, отстоящих друг от друга в осевом направлении на расстояние от 5 до 100 м, то есть в большей сети, вместе с тем достаточное для обеспечения связи между электронными блоками 110.
Согласно предпочтительному варианту выполнения, каждый датчик 11 расположен в соответствии с собственной сетью, при этом электронные блоки 110 расположены таким образом, чтобы каждый датчик 11 мог передавать свои данные в терминал 100 на поверхности. По мере возможности, датчики и/или ретрансляторы сгруппированы в одном электронном блоке 110 для облегчения применения.
Блоки обнаружения содержат по меньшей мере один датчик 11, выбранный из группы в которую входят датчики физических величин, таких как температура, давление, напряжение, целостность, например, плотность или нехватка цемента, окружающая химическая среда, например, присутствие воды или серы, чтобы обнаруживать инфильтрацию воды или элементов, которые могут сказаться на обсадной колонне 60.
Например, электронные блоки 113, 114 и 116, 117 могут содержать первый комплект блоков обнаружения, каждый из которых содержит датчик давления, а электронные блоки 111, 112, 115, 116 и 118 могут содержать второй комплект блоков обнаружения, каждый из которых содержит датчик температуры.
В этом случае электронные блоки 113, 114 и 116, 117 первого комплекта могут быть расположены в плоскостях, перпендикулярных к обсадной колонне 60 и отстоящих друг от друга в осевом направлении на расстояние L2, составляющее от 50 до 150 см, а электронные блоки 111, 112, 115, 116 и 118 второго комплекта могут быть расположены в плоскостях, перпендикулярных к обсадной колонне 60 и отстоящих друг от друга в осевом направлении на расстояние L1, составляющее от 5 до 15 м.
Согласно отличительному признаку, блоки обнаружения электронных блоков 110 получают питание энергией от средств сбора энергии, такой как электромагнитная энергия, передаваемая вдоль обсадной колонны 60. Электрическое питание можно также обеспечивать за счет сбора механической или тепловой энергии, например, при помощи магнитно-индукционных преобразователей, пьезоэлектрических преобразователей или преобразователей на эффекте Зеебека.
Так, согласно частному варианту выполнения, по меньшей мере один электронный блок, выполненный в виде ретрансляционного блока, отбирает энергию в окружающей среде для питания по меньшей мере одного блока обнаружения, содержащего по меньшей мере один датчик физической или химической величины, и/или по меньшей мере одного блока обработки сигналов. Таким образом, можно получать дополнительную энергию за счет отбора тепловой энергии в скважине, используя температурный градиент между окружающей средой и добываемой текучей средой.
Согласно другому варианту выполнения, каждый из электронных блоков 110 содержит автономную батарею или конденсаторы электрического питания, которые образуют источник 13 энергии.
Объектом изобретения является также способ изготовления обсадной колонны 60 эксплуатационной скважины или скважины подземного хранилища добываемой текучей среды, отличающийся тем, что содержит этапы, на которых:
- обеспечивают комплект элементов обсадной колонны;
- перед введением в эксплуатационную скважину на каждом элементе обсадной колонны крепят комплект электронных блоков 110, распределенных в заранее определенных положениях в последовательных плоскостях, перпендикулярных к обсадной колонне 60 и отстоящих друг от друга в осевом направлении вдоль обсадной колонны 60, при этом каждый электронный блок 110 содержит средство 14 связи электронного блока 110 с другим электронным блоком 110 или с терминалом 100 на поверхности, блок 13 питания энергией электронного блока 110 и по меньшей мере один из следующих элементов: а) блок обнаружения, содержащий по меньшей мере один датчик 11 физической или химической величины, и b) блок 12 обработки сигналов; и
- элементы обсадной колонны соединяют встык для получения обсадной колонны.
Элементы обсадной колонны являются трубами, как правило, из стали, например, длиной 10 м, которые произведены на заводе, при этом полную обсадную колонну получают, например, путем завинчивания концов этих различных элементов. Согласно изобретению, эти элементы обсадной колонны оснащают на заводе описанными выше электронными блоками 110. Затем элементы обсадной колонны собирают во время бурения и оборудования эксплуатационной скважины.
В частности, согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения, электронные блоки 110 устанавливают на обсадной колонне путем временного приклеивания. Затем обсадную колонну 60 и электронные блоки 110 покрывают защитным полимерным слоем 61, который закрепляет электронные блоки 110 на обсадной колонне 60. Этот слой 61 выбирают таким образом, чтобы одновременно обеспечивать применение датчиков 11 и крепление электронных блоков 110 на обсадной колонне 60.
Этот способ дополнительно содержит этапы, на которых снаружи обсадной колонны 60 между этой колонной и цементной оболочкой 30 устанавливают комплект электронных блоков 110, включающий в себя блоки обнаружения и/или ретрансляционные блоки, распределенные в заранее определенных положениях в последовательных плоскостях, перпендикулярных к обсадной колонне 60 и отстоящих друг от друга в осевом направлении вдоль обсадной колонны 60. Каждый блок обнаружения содержит по меньшей мере один датчик 11 физической или химической величины, средство 14 связи для передачи сигналов, поступающих от датчика, блок 13 питания энергией и, в случае необходимости, блок 12 обработки сигналов, поступающих от датчика 11. Каждый ретрансляционный блок содержит средство 14 передачи сигналов, блок 13 питания энергией и, в случае необходимости, блок 12 обработки ретранслируемых сигналов. На фиг. 3 показан электронный блок 110, объединяющий в себе две функции блока обнаружения и ретрансляционного блока.