СПОСОБ ЗАКАНЧИВАНИЯ СКВАЖИНЫ С УСТАНОВКОЙ СКВАЖИННОГО ФИЛЬТРА, ПРИНИМАЮЩЕГО ФОРМУ СТВОЛА СКВАЖИНЫ
METHOD OF WELL COMPLETION WITH INSTALLATION OF WELL STRAINER TAKING SHAPE OF WELL SHAFT

Настоящее изобретение относится к скважинным фильтрам и, в частности, к тем, которые могут расширяться в необсаженной скважине, перекрывая ее ствол, имеющий неравномерную форму.
В прошлом с выносом песка из продуктивного пласта в скважину боролись, главным образом, путем заполнения гравием слоя снаружи скважинных фильтров (в частности, с перфорированными трубами). Смысл заключался в том, чтобы заполнить кольцевое пространство вокруг фильтра гравием для предотвращения проникновения нежелательных частиц песка из продуктивного слоя. Позднее с появлением технологии расширяющихся труб считали, что необходимости в гравийной засыпке можно избежать, если фильтр или фильтры могли бы увеличиваться на месте, заполняя окружающее кольцевое пространство, которое до этого заполняли гравием. Проблемы с технологией расширяющегося фильтра, как замены гравийному слою, возникли из-за неравномерности формы ствола скважины. При жесткой оправке фильтр расширяется на постоянную величину. Проблема в том, что при образовании промоин в стволе скважины все же снаружи фильтра остается достаточно большое кольцевое пространство. И наоборот, в местах сужения ствола скважины существует риск прихватывания жесткой оправки.
Одним из усовершенствований технологии жесткой оправки было использование различных видов гибких/расширяемых оправок. В теории эти гибкие оправки могли деформироваться так, что в местах сужения ствола скважины они прогибались бы вовнутрь, уменьшая возможность прихватывания оправки. С другой стороны, при наличии пустого пространства остается проблема, связанная с тем, что гибкая оправка имеет определенные наружные размеры, в которых фильтр может расширяться. Следовательно, при использовании гибких оправок все же остается проблема кольцевых зазоров снаружи фильтра и, в результате, нежелательного выноса частиц песка, когда скважину вводят в эксплуатацию для добычи из этой зоны. Кроме того, такие устройства имеют сложную и не всегда достаточно надежную конструкцию, требуют дополнительного оборудования и затрат. В US 6543545 предлагается использование поверх фильтра (экрана) слоя пенопласта для заполнения неровностей в стенке скважины после того, как он введен в непосредственный контакт с выступами на стенке и расширения конструкции фильтра. Однако такое решение также имеет отмеченные выше недостатки.
В предшествующих конструкциях в фильтрах также использовали предварительно уплотненный слой, удерживаемый трубчатой оболочкой, которую затем подвергали химическому воздействию при размещении в стволе скважины на заданной глубине. Затем слою предоставляли возможность восстанавливаться из своего предварительно сжатого состояния. При этом фильтр не увеличивается в объеме. Однако такие устройства имеют ряд существенных недостатков. К ним можно отнести необходимость использования растворителей для удаления наружного сжимающего слоя, что значительно усложняет процесс и конструкцию, поскольку требует специальных мер и материалов для работы с агрессивной средой. Использование агрессивных реагентов может не отвечать ожесточающимся требованиям к защите окружающей среды. Кроме того, толщина податливого слоя ограничена стволом скважины, и использование дополнительной оболочки приводит к необходимости уменьшения толщины податливого слоя и, соответственно, к менее эффективному заполнению пустот в кольцевом пространстве вокруг фильтра. Подобные конструкции раскрыты в патентах US 2981332 и 2981333. В патенте US 5667011 представлена жесткая оправка, распирающая в скважине втулку (хвостовик) с прорезями. В патентах US 5901789 и 6012522 представлены расширяемые скважинные фильтры. В патенте US 6253850 раскрыта технология введения одной сплошной втулки в другую, уже расширенную втулку с прорезями, чтобы перекрыть ее, и использования каучука или эпоксидных смол для герметизации пространства между втулками. В патенте US 6263966 представлен фильтр с продольными гофрами, расправляемыми в стволе скважины. В патенте US 5833001 представлено использование отверждаемого на месте каучука для формирования накладки после расширения с помощью надувного пакера. Наконец, патент US 4262744 представляет общий интерес, так как раскрывает технологию изготовления фильтров с помощью отливки (пресс-форм).
Соответственно, в основу настоящего изобретения положена задача обеспечения скважины надежным фильтрующим узлом, эффективно функционирующим в стволе скважины с неровной поверхностью и при этом устанавливаемым простым, экономичным и безопасным образом, в частности, без необходимости использования гравийной набивки и ненадежных сварных швов между слоями фильтрующего узла, а также таких усложняющих конструкцию и процесс устройств, как расширители несущей конструкции фильтра или наружный сжимающий слой.
Устройство и способ в соответствии с настоящим изобретением направлены на решение этих проблем путем введения фильтрующего узла с наружным слоем, который может расширяться, принимая форму ствола скважины за счет увеличения в объеме. В предпочтительном варианте выполнения выбирают материал, который разбухнет при контакте со скважинными флюидами с тем, чтобы в дальнейшем после увеличения в объеме заполнить пустые пространства в стволе скважины. В предлагаемом устройстве расширения фильтра не требуется, и наружный слой разбухает, принимая форму ствола скважины, при контакте со скважинными флюидами или другими флюидами, введенными в скважину. Фильтрующую часть изготавливают способом, снижающим или устраняющим необходимость в сварке. Сварные швы подвергаются большой нагрузке в процессе расширения, так что уменьшение количества или вообще избавление от сварных швов обеспечивает большую надежность работы фильтра после расширения. Эти и другие преимущества настоящего изобретения станут для специалиста в данной области более очевидными из описания предпочтительного варианта выполнения изобретения и формулы изобретения, приведенных далее.
Поставленные в настоящем изобретении задачи решаются посредством способа заканчивания скважины, в котором:
обеспечивают по меньшей мере одну трубу-основу покрытием из способного увеличиваться в объеме пористого податливого материала, способного принимать форму в соответствии с прилегающими к нему объектами,
спускают в ствол скважины к заданному местоположению указанную трубу-основу с наружным слоем податливого материала податливым материалом,
позволяют податливому материалу перекрыть кольцевой зазор до стенки ствола скважины без расширения трубы-основы,
обеспечивают фильтрацию флюидов через податливый материал к трубе-основе.
Таким образом, предлагается использовать устройство фильтра с материалом (называемый здесь податливым материалом, т.е. способным при определенных условиях увеличиваться в объеме и принимать форму в соответствии с прилегающими к нему объектами), который при введении в ствол скважины принимает форму ствола скважины. Устройство содержит податливый слой, принимающий при увеличении в объеме форму ствола скважины. При этом в образуемом наружном слое имеются отверстия для прохождения добываемого флюида. Выбранный материал предпочтительно разбухает под воздействием тепла и предпочтительно содержит термореактивный пеноматериал с эффектом запоминания формы. На трубе-основе может быть размещен фильтрующий элемент, служащий опорной подложкой для податливого слоя или в альтернативе для фильтрации. Податливый слой может расширяться сам, или расширение может также происходить под воздействием изнутри трубы.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 представлено в увеличенном виде изображение фильтра с частичным разрезом.
на фиг.2 представлена в разрезе колонна из группы фильтров, один из которых изображен на фиг.1, находящихся в расширенном состоянии в стволе скважины.
На фиг.1 представлен частичный разрез фильтра 10. В него входит труба-основа 12, поверх которой находится фильтрующий элемент 14, а поверх него находится наружный податливый слой (пористого податливого материала) 16, принимающий нужную форму. В слое 16 имеется множество отверстий 18. В трубе-основе 12 также имеются отверстия 20. Собственно материалом фильтра или фильтрующим элементом 14 может служить сетка или тканый материал, или другие известные изделия с фильтрующими свойствами. Податливый слой 16 предпочтительно мягкий, так что он может деформироваться при расширении фильтра 10. Предпочтительным материалом является тот, что будет набухать под воздействием в течение достаточного промежутка времени скважинных флюидов. В качестве примера можно привести нитрил, натуральный каучук и эластомер типа AFLAS. В альтернативном варианте выполнения податливый слой 16 набухает после введения в ствол скважины в достаточной мере, чтобы приходить в контакт со стволом скважины и без расширения фильтра 10. На краях 22 и 24 фильтра 10 схематически показаны упорные кольца 26 и 28. Эти упорные кольца при расширении фильтра 10 будут удерживать податливый слой 16 от продольного смещения в кольцевом пространстве снаружи фильтра 10 после его расширения. Использование их не обязательно.
Другой аспект изобретения связан со способом сборки фильтра 10. Податливый слой 16 может иметь внутренний диаметр, который позволяет надвигать его поверх материала 14 фильтрующего слоя. Сборку из фильтрующего материала 14 и податливого слоя 16 надвигают на трубу-основу 12. После этого трубу-основу 12 слегка расширяют (развальцовывают) путем введения внутрь нее известного устройства расширении. В результате как материал 14 фильтрующего слоя, так и податливый слой 16 оказываются скрепленными с трубой-основой 12 без необходимости в приварке. Такой способ имеет преимущество, так как, если фильтр 10 опускают в ствол скважины и там развальцовывают, процесс растяжения может привести к возникновению больших напряжений в сварных соединениях и последующему повреждению фильтра. Альтернативный вариант сборки фильтра 10 состоит в скреплении материала 14 фильтрующего слоя с трубой-основой 12 только что описанным способом и затем вулканизации податливого слоя 16 непосредственно на материале 14 фильтрующего слоя. В другом варианте на материал 14 фильтрующего слоя может быть помещена защитная наружная оболочка (не показана), и податливый слой 16 закреплен поверх нее. Общей операцией, даже если используют необязательную перфорированную защитную оболочку (не показана), является расширение в наружном направлении изнутри трубы-основы 12, как описано ранее.
Отверстия 18 могут иметь различную форму. Они предназначены для пропускания после увеличения в объеме флюидов из пласта. Они могут быть круглыми отверстиями, щелями или иметь другую форму или сочетание различных форм. Податливый слой 16 может быть выполнен из полимерного материала и предпочтительно из такого, который набухает при длительном воздействии скважинных флюидов, чтобы лучше повторять неравномерную форму ствола 30 скважины, как показано на фиг.2. На фиг.2 также показана наружная защитная оболочка (кожух) 32, помещенная поверх материала 14 фильтрующего элемента под расширяющимся слоем 16 для защиты материала 14 фильтрующего элемента при спуске в ствол 30 скважины. Оболочка 32 представляет собой известное изделие с пробитыми отверстиями 33 и при наличии податливого слоя 16 может быть использована по желанию. Причина такого необязательного использования заключается в том, что при продвижении в скважину податливый слой до некоторой степени обеспечивает необходимую защиту. Кроме того, при отсутствии оболочки 32 податливый слой 16 может быть выполнен более толстым, чтобы после увеличения в объеме лучше заполнять объем 34 пустот в кольцевом пространстве вокруг фильтра 10. Толщина податливого слоя 16 ограничена стволом скважины и наружным диаметром компонентов, установленных в скважине. Предпочтительно, чтобы податливый слой 16 был сильно сжат, так как это способствует его распространению для заполнения пустот в окружающем кольцевом пространстве.
Специалистам в данной области техники понятно, что с использованием настоящего изобретения можно изготовить расширяющийся фильтр без применения сварки между слоями. Применение податливого материала 16, принимающего соответствующую форму, дает возможность использовать различные способы расширения и увеличивает способность устранения пустот снаружи расширяющегося фильтра, обусловленных неравномерностью формы ствола скважины. В альтернативном варианте податливый материал 16 может в достаточной степени набухать без расширения в скважине фильтра 10, что дает возможность обходиться без гравийного фильтра. Если материал набухает под воздействием скважинных флюидов, он может быть использован в качестве податливого слоя 16. Защитную оболочку 32 под расширяющимся слоем 16 можно использовать для защиты материала 14 фильтрующего элемента при спуске в скважину.
Податливый слой 16 может быть выполнен из пеноматериала, предпочтительно термореактивного пластика, но может быть и из термопластичного материала. Показан податливый слой 16 цилиндрической формы, но форму можно менять за счет введения сходящихся краев или введения участков с бороздками (не показаны) для облегчения размещения или улучшения фильтрационных характеристик слоя. Податливый слой 16 предпочтительно состоит из пеноматериала с памятью формы, такого как пеноматериал со структурой с открытыми ячейками. Пеноматериал такого типа обладает способностью переходить от одного размера и формы к другому размеру и/или форме при изменении температуры материала. Из пеноматериала такого типа может быть изготовлено изделие с заданными первоначальными размерами и формой, такое как цилиндр с заданным наружным диаметром. Изготовленное таким образом изделие из пеноматериала затем нагревают, чтобы поднять его температуру выше температуры перехода. При достижении пеноматериалом температуры перехода он размягчается, что позволяет придать изделию новые промежуточные форму и размеры, так что его можно сжать до цилиндра меньших размеров. Температуру изделия из пеноматериала затем снижают ниже температуры перехода, принудительно сохраняя при этом промежуточные размеры и форму. Если затем снова поднять температуру до температуры перехода изделие из пеноматериала вернется к своим первоначальным форме и размеру.
1
1
1
Цилиндрический податливый слой 16 из пеноматериала можно первоначально нанести на фильтр 10 или трубу-основу 12 в виде оборачивающего покрытия с заданным первоначальным диаметром OD. Альтернативно в качестве процесса формирования податливого слоя 16 на трубе 12 или фильтре 10 может выступать любой другой процесс, приводящий к образованию податливого слоя с заданным первоначальным диаметром, такой как непосредственная отливка пеноматериала. Заданный первоначальный наружный диаметр OD больше, чем диаметр скважины, в которую будут опускать устройство. Например, для использования в скважине с диметром 8,5 дюйма (0,22 м) можно сформировать податливый слой с первоначальным наружным диаметром OD, равным 10 дюймов (0,25 м).
Состав пеноматериала подбирается таким, чтобы обеспечить заданное значение температуры перехода. Это свойство позволяет подобрать нужный состав пеноматериала в зависимости от требуемой для данного применения температуры перехода. Например, в случае настоящего изобретения состав пеноматериала можно выбрать таким, чтобы иметь температуру перехода лишь слегка ниже ожидаемой температуры в стволе скважины на глубине, на которой будет использовано устройство. Это приведет к тому, что податливый слой 16 увеличится в объеме под воздействием температуры на заданной глубине и распространится до стенки ствола скважины, сохраняя такой размер. Температура в скважине может быть использована для увеличения в объеме податливого слоя 16; в альтернативном варианте для этого может быть использовано другое средство, такое как отдельный источник тепла. Таким источником тепла могли бы быть питаемый через кабель электронагреватель или нагреватель с батарейным питанием. В качестве примера такой источник тепла можно было бы скрепить с трубой-основой 12, встроенной в него, или установить иначе в контакте с расширяющимся слоем 16 из пеноматериала. Работу нагревателя можно было бы регулировать с поверхности на месте расположения скважины или регулировать с помощью таймера или датчика давления. В другом варианте можно использовать экзотермическую реакцию химикатов, закачанных в скважину с поверхности, или тепло можно получать с помощью другого подходящего средства.
Податливый слой 16 можно выполнить таким, что он будет действовать как самостоятельный фильтрующий компонент без использования при этом материала фильтрующего элемента 14. Это возможно благодаря пористой природе податливого материала. Однако обычным способом его изготовления является нанесение отлитых слоев непроницаемого покрытия по всей наружной периферии. Такое свойство позволяет использовать этот материал в качестве материала пакера, в основном, в случае, когда он снят с литейной формы. Однако, если на наружной поверхности, в конце концов приходящей в контакт со стенкой скважины, имеется непроницаемый слой, сдираемый или удаляемый другим способом, податливый слой 16 можно закрепить на трубе-основе 12 или на фильтрующем элементе 14, и он может действовать самостоятельно как единственный фильтрующий материал или в сочетании с фильтрующим элементом 14. Фильтрующий элемент 14 может быть специально выполнен таким образом, чтобы он служил конструктивной подложкой для податливого материала 16, предотвращающей проникновение последнего через трубу-основу 12, когда через него происходит фильтрация скважинных флюидов, или фильтрующий элемент может быть опущен вовсе. Верхний и нижний по направлению скважины края податливого материала 16 могут иметь непроницаемый слой, образованный в процессе отливки при изготовлении и оставленный для лучшего направления потока к отверстиям в трубе-основе 12.
Податливый материал может предпочтительно представлять собой пористый термореактивный полимер, хотя могут быть использованы также термопластические материалы, если они пористые или могут быть изготовлены в данных условиях.
Представленное раскрытие и описание изобретения служат для его иллюстрации и объяснения, и без отклонения от сути изобретения в нем могут быть сделаны различные изменения в размерах, форме и материалах, а также в деталях представленной конструкции.