СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ЗОН В СТВОЛЕ СКВАЖИНЫ
METHODS AND ASSEMBLY FOR ISOLATION OF ZONES IN WELL BOREHOLE

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В области разведки и добычи нефти и газа обычным является присутствие песка и других мелких твердых частиц в пластовых текучих средах. Данные частицы являются высокоабразивными и вызывают повреждения скважины и ее компонентов, поэтому во многих пластах необходимо при заканчивании ствола скважины контролировать количество песка и других мелких частиц, входящих в эксплуатационную колонну насосно-компрессорных труб и поднимающихся на поверхность с добываемой текучей средой. Множество технологий предотвращения поступления песка используется в промышленности; обычно используются устройства системы борьбы с поступлением песка (такие как песчаные фильтры), установленные в колонне заканчивания, которые отфильтровывают песок и мелкие частицы из пластовых текучих сред и предотвращают их вход в эксплуатационную колонну насосно-компрессорных труб.
Устройства для предотвращения поступления песка обычно используют в соединении с одним или несколькими гравийными фильтрами, содержащими гравий или другие твердые частицы, размещенные вокруг устройства борьбы с поступлением песка для улучшения фильтрования и создания дополнительной поддержки пласта. В операции установки гравийного фильтра суспензия взвешенных частиц гравия в жидкости-носителе перекачивается с поверхности по кольцевому пространству между устройством борьбы с поступлением песка и необсаженным или обсаженным стволом скважины, и успешный гравийный фильтр требует удовлетворительного распределения гравия в кольцевом пространстве на устройстве борьбы с поступлением песка.
Во многих подземных пластах скважина проходит через несколько нефтегазоносных зон, представляющих интерес для оператора, и необходима установка гравийных фильтров в индивидуальных зонах. Пример системы заканчивания в нескольких зонах показан на фиг.1. Система 100 включает в себя сооружение для добычи на поверхности, которое в данном случае является судном 102 плавучей системы добычи, хранения и отгрузки нефти, соединенным со скважиной 104 через подводную фонтанную арматуру 106. Ствол скважины в данном случае является наклонно-направленным стволом, проходящим через несколько интервалов 107a, 107b, 107c добычи в пласте 108. Эксплуатационная колонна 110 насосно-компрессорных труб создает непрерывный путь потока, проходящий через несколько зон. Эксплуатационная колонна насосно-компрессорных труб снабжена отверстиями или устройствами регулирования притока (не показано), обеспечивающими подачу добываемой текучей среды в эксплуатационную колонну насосно-компрессорных труб и по ней в подводную фонтанную арматуру 106. Для обеспечения управления процессом добычи кольцевое пространство 112 разобщается пакерами 114, установленными между различными зонами 107 добычи, для предотвращения прохода потока текучей среды в кольцевом пространстве между различными зонами. Устройство 116 для предотвращения поступления песка предотвращает вход твердых частиц из гравийного фильтра и пласта в эксплуатационную колонну насосно-компрессорных труб.
В обычном подходе к предотвращению поступления песка гравийный фильтр устанавливается на первой изолированной зоне 107c с помощью спуска инструментов установки гравийного фильтра, выделенных специально для такой работы. Затем в отдельной операции гравийный фильтр устанавливается в смежной изолированной зоне 107b. Процедуру можно выполнять несколько раз для укладки гравийных фильтров во всех зонах, представляющих интерес. В некоторых пластах, где смежные зоны расположены особенно близко друг к другу, выполнение отдельных операций по укладке гравийных фильтров не представляется возможным. Даже в случае, если возможны операции раздельной укладки гравийных фильтров, требуется установка гравийных фильтров на всех зонах, представляющих интерес за один рейс в скважину, когда несколько зон добычи находятся близко друг от друга. Соответствующие системы инструментов и способы называют системами и способами для установки в нескольких зонах за один рейс. В данных способах суспензия для гравийного фильтра закачивается с помощью инструментов укладки гравийного фильтра, на каждой из назначенных зон, и гравий укладывается в нескольких зонах за один рейс, но с неодинаковыми и отдельными операциями закачки для каждой зоны. Данные системы выполнения работ в нескольких зонах за один рейс значительно уменьшают общее время установки гравийных фильтров, но имеют несколько серьезных недостатков. Для примера такие работы являются сложными и требуют много специализированного оборудования, подлежащего установке в скважины; сервисные инструменты должны повторно устанавливаться для укладки гравийного фильтра каждой зоны, и закачка должна после заканчивания одной зоны повторно запускаться, когда инструменты установлены в следующей зоне.
Для улучшения подачи гравийных суспензий устройства борьбы с поступлением песка снабжают шунтирующими трубами, создающими альтернативные пути потока для гравия и его жидкости-носителя. Данные альтернативные пути потока значительно улучшают распределения гравия в интервале добычи, например, обеспечивая подачу жидкости-носителя и гравия через песчаные перемычки которые могут образовываться в кольцевом пространстве до завершения гравийного фильтра. Примеры шунтирующих труб можно раскрыть в патентах США 4945991 и 5113935. Шунтирующие трубы могут также располагаться внутри фильтрующего материала, как описано в патентах США 5515915 и 6227303.
Патент США 6298916 описывает систему пакеров для нескольких зон, которая содержит устройство манжетных пакеров с шунтирующими трубами, используемыми в операции укладки гравийного фильтра. Верхний пакер имеет байпас в виде переводника для подачи суспензии для гравийного фильтра в первую зону добычи, и шунтирующие трубы обеспечивают последовательное размещение суспензии в зонах под пакерами, изолирующими зоны. Патент США 7562709 описывает альтернативный способ, в котором изоляция зоны получается с использованием набухающих пакеров, включающих в себя оболочку из набухающего эластомерного материала, выполненную вокруг трубчатого корпуса. Шунтирующие трубы проходят под набухающей оболочкой для обеспечения обхода суспензией для гравийного фильтра изоляционных пакеров.
В публикациях WO 2007/092082 и WO 2007/092083 также предложено снабжать пакеры устройствами альтернативного пути, которые можно использовать для создания изоляции зоны между гравийными фильтрами в скважине, и варианты осуществления, описанные в публикациях 2007/092082 и WO 2007/092083, включают в себя пакеры с набухающими оболочками, которые увеличиваются в объеме под воздействием активирующей текучей среды. В публикациях патентных заявок США 2010/0155064 и 2010/0236779 также раскрыто использование набухающих изоляционных устройств в шунтирующих трубах в операциях укладки гравийных фильтров.
Хотя вышеописанные системы шунтирующих труб обеспечивают изоляцию зон в операциях с гравийными фильтрами, полагаться на шунтирующие трубы как устройство байпаса для размещения гравийной суспензии нежелательно. Использование шунтирующих труб приводит к общему усложнению заканчивания и работ по установке оборудования. Например, шунтирующие трубы должны совмещаться и скрепляться с трубами перемычек смежных устройств борьбы с поступлением песка при сборке эксплуатационной колонны насосно-компрессорных труб.
Использование шунтирующих труб может также вызывать сложности в эксплуатации требуемого барьера кольцевого пространства или в обеспечении непроницаемости для текучей среды изоляционных пакеров, которые требуется приводить в действие для расширения вокруг шунтирующих труб. В системах с набухающими эластомерами проблемы могут возникать вследствие удаления некоторого объема эластомера из изоляционного устройства, ненадлежащего уплотнения вокруг шунтирующих труб, смещения труб вследствие расширения элемента и/или соединения труб на противоположных концах изоляционного устройства. Размещение шунтирующих труб может вызывать необходимость уменьшения общего объема расширяющегося элемента и, в частности, уменьшения в объеме расширяющегося элемента, расположенного радиально снаружи шунтирующей трубы. Система шунтирующей трубы с набухающей изоляцией может, как следствие, требовать увеличенного времени для получения уплотнения и/или может иметь неудовлетворительные показатели работы уплотнения под давлением. Ослабление данных проблем может требовать увеличения диаметра спускаемого набухающего пакера, что может затруднять операции развертывания или уменьшать рабочий диаметр ствола скважины, что снижает темп добычи.
Хотя использование набухающих эластомерных пакеров и изоляционных устройств имеет несколько преимуществ по сравнению с обычными пакерами, включающими в себя пассивное приведение в действие, простоту конструкции и прочность в вариантах долгосрочного применения, их использование в вариантах применения с обычными гравийными фильтрами, описанными выше, может увеличивать полное время, требуемое для операций по установке гравийного фильтра. Это происходит, поскольку при обычном подходе изолирующие устройства устанавливаются поджатыми к стенке необсаженного или обсаженного ствола скважины для изоляции зон перед укладкой гравийного фильтра. Данная последовательность означает, что гравийный фильтр не может быть уложен до набухания набухающего изолирующего устройства, которое во многих случаях может занимать несколько дней. Это приводит к задержке закачки гравийной суспензии, что может являться нежелательным для оператора.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целями изобретения является создание способа и/или устройства для установки гравийного фильтра с операциями на нескольких интервалах, устраняющих один или несколько недостатков ранее предложенных способов и устройств. Другой целью изобретения является создание изоляционного устройства и способа работы в забойной зоне скважины, не основанных на использовании шунтирующих труб, проходящих через устройство. Дополнительной целью изобретения является создание улучшенного способа укладки гравийного фильтра в стволе скважины. Другие цели и задачи изобретения должны стать ясны из приведенного ниже описания.
Согласно первому аспекту изобретения создан способ для использования в стволе скважины, содержащий:
размещение в кольцевом пространстве ствола скважины устройства, содержащего оправку и набухающий элемент, установленный на оправке и содержащий материал, способный увеличиваться в объеме при стимулирующем воздействии на него в стволе скважины;
размещение гравийного фильтра под устройством через кольцевое пространство в стволе скважины, где устройство размещено;
размещение гравийного фильтра над устройством;
после укладки гравийного фильтра обеспечение увеличения в объеме набухающего элемента для создания кольцевого барьера в стволе скважины.
В контексте данного описания термин «оправка» используется для обозначения корпуса, на котором набухающий элемент может устанавливаться, и должен широко интерпретироваться, охватывая трубные изделия, трубы и сплошные корпуса как цилиндрические, так и с альтернативными сечениями. Если контекст не требует иного, термин является взаимозаменяемым с термином «трубное изделие» или «насосно-компрессорная труба» или «основная труба» без ограничения. Слова «верхний», «нижний», «вниз» и «вверх» являются относительными терминами, используемыми в данном документе для указания направлений в стволе скважины, термин «верхний» и его эквиваленты указывают направление в стволе скважины к поверхности, и термин «нижний» и его эквиваленты указывают направление в стволе скважины к забою. Должно быть ясно, что изобретение имеет применение в наклонно-направленных и боковых стволах скважины. Термин «кольцевой барьер» должен интерпретироваться, в общем, как компонент, по существу, препятствующий или ограничивающий поток в кольцевом пространстве, включающий в себя без ограничения этим устройства, создающие изоляцию текучей среды и способные к полной изоляции существенных перепадов давления и противодействию им.
Предпочтительно способ содержит размещение гравийного фильтра под устройством с проходом через него и укладку гравийного фильтра над устройством в одной операции укладки гравийного фильтра.
Предпочтительно кольцевой барьер является кольцевым уплотнением, и способ может содержать создание изоляции между участком кольцевого пространства ствола скважины, расположенным над устройством, и участком кольцевого пространства ствола скважины, расположенным под устройством. Более предпочтительно устройство размещается в стволе скважины между двумя интервалами добычи углеводородов или интервалами, которые должны использоваться для нагнетания текучих сред или газа. При этом способ может содержать обеспечение набухания набухающего элемента для создания изоляции в кольцевом пространстве в забойной зоне скважины (например, для изоляции одной зоны добычи от смежной зоны добычи). Набухающий элемент может набухать и входить в контакт с окружающей стенкой ствола скважины, который может представлять собой необсаженный или обсаженный ствол скважины.
Предпочтительно способ содержит перемещение твердых частиц гравийного фильтра в одну или несколько полостей и обеспечения набухания набухающего элемента в пространстве, освобожденном при вытеснении твердых частиц гравийного фильтра.
Предпочтительно способ содержит формирование одной или нескольких полостей в кольцевом пространстве или смежно с ним в стволе скважины между набухающим элементом и окружающей поверхностью, обеспечение набухания набухающего элемента в кольцевом пространстве и перемещение твердых частиц гравийного фильтра в одну или несколько полостей.
Предпочтительно формирование одной или нескольких полостей выполняется одновременно с набуханием набухающего элемента, при этом твердые частицы гравийного фильтра могут перемещаться при набухании набухающего элемента и создании полости.
Благодаря формированию полости для размещения песка или гравия (или других твердых материалов) из гравийного фильтра создается пространство, обеспечивающее набухание набухающего элемента в кольцевом пространстве. Песок или гравий, который в ином случае может препятствовать набуханию, вытесняется в полость. Это обеспечивает использование набухающих материалов, таких как набухающие эластомеры, создающие умеренные силы давления при набухании в сравнении с силами давления расширения, возможными с применением механических или гидравлических инструментов. В контексте данного изобретения термин «эластомер» используется для обозначения материала с эластомерными свойствами, такого как синтетический и натуральный каучук.
Одна или несколько полостей могут формироваться в объеме между оправкой и окружающей стенкой ствола скважины.
В некоторых вариантах осуществления изобретения одна или несколько полостей формируются в объеме материала гравийного фильтра.
Материал гравийного фильтра может, например, содержать смесь твердых частиц и расходуемых частиц или проппантов, которые могут рассеиваться в суспензии для гравийного фильтра. Таким образом, гравийная суспензия может содержать транспортирующую текучую среду, содержащую смесь твердых частиц (таких как песок и гравий) и расходуемых частиц. Расходуемые частицы могут содержать материал или структуру, способную разлагаться или изменяться в объеме в условиях в стволе скважины, причем данное разложение или изменение в объеме может формировать полости в материале гравийного фильтра, в которые твердые частицы материала гравийного фильтра могут перемещаться под действием набухания набухающего элемента.
Предпочтительно пропорция расходуемых частиц в суспензии для гравийного фильтра выбирается с возможностью создания объема расходуемых частиц объема, приблизительно равного объему твердых частиц, который требуется переместить набухающим элементом во время набухания.
Расходуемые частицы могут содержать материал, претерпевающий изменения формы (и объема) в условиях в стволе скважины. Например, расходуемые частицы могут содержать твердый материал, такой как вспененный пластик или эластомер, сжимающийся или становящийся податливым при температурах ствола скважины и/или давлениях. Давление при набухании набухающего элемента может затем обеспечивать уменьшение в объеме расходуемых частиц и создание полостей в материале гравийного фильтра.
Расходуемые частицы могут содержать твердый материал, например пластик или эластомер, сжимающийся или становящийся податливым при температурах в стволе скважины и/или давлениях. Давление при набухании набухающего элемента может затем обеспечивать уменьшение в объеме расходуемых частиц и создание полостей в материале гравийного фильтра.
Расходуемые частицы могут содержать материал, претерпевающий изменения механических свойств в условиях в стволе скважины. Например, расходуемые частицы могут содержать твердый материал, который при температурах в стволе скважины и/или давлениях становится более сжимаемым или податливым, чем в условиях на поверхности или при спуске в скважину.
Расходуемые частицы могут содержать твердый материал, меняющий фазу в условиях в стволе скважины. Например, расходуемые частицы могут содержать гель, который при температурах в стволе скважины и/или давлениях образует жидкость. Жидкость может затем вытекать из объема гравийного фильтра, оставляя одну или несколько полостей. Расходуемые частицы могут содержать одно или несколько из следующего:
а. Шарики из сублимирующегося вещества, такого как нафталин или 1,4-дихлорбензол.
б. Инкапсулированную растворимую систему, содержащую относительно стабильную наружную оболочку и жидкость или другой диспергируемый материал. Подходящие материалы для наружной оболочки включают в себя животные белки, такие как желатин, или растительные полисахариды или их производные, такие как каррагенаны и модифицированные формы крахмала и целлюлозы. Оболочка растворяется при использовании, обеспечивая диспергирование внутреннего материала.
в. Твердые парафиновые шарики или зерна, разрушающиеся растворителем (таким как легкие углеводороды) или модификаторами кристаллов парафина.
г. Упрочненные гранулы углеводородного геля или парафина или полимерный материал, являющиеся твердыми при комнатной температуре и плавящиеся при температурах в стволе скважины.
д. Комбинация набухающей резины в смеси с высокими концентрациями полимеров-суперабсорбентов или гидрогелями. Воздействие на матрицу набухающей резины активирующей текучей средой обеспечивает набухание матрицы и уменьшает ее возможность связывать полимеры-суперабсорбенты или гидрогели в смеси, что обеспечивает их диспергирование.
е. Ксантановые гели или гидроксильные гели.
ж. Соответствующие промышленным стандартам системы геля и разжижителя геля.
з. Временные закупоривающие агенты, такие как бензойная кислота и ее соли (например, бензойнокислый натрий), растворимые в стволе скважины.
и. Медленно растворяющиеся кристаллы (например, крупные кристаллы соли).
Способ может содержать изменение объема, который устройство занимает в кольцевом пространстве в стволе скважины для формирования одной или нескольких полостей. В одном варианте осуществления обеспечивается уменьшение в объеме сокращающегося участка устройства для создания одной или нескольких полостей.
В другом варианте осуществления способ содержит открытие полости в устройстве, в которую твердые частицы гравийного фильтра могут перемещаться.
Альтернативный вариант осуществления содержит этап отвода потока суспензии для гравийного фильтра для предпочтительной укладки гравийного фильтра и ограничения объема твердых частиц гравийного фильтра, уложенных смежно с набухающим элементом. Предпочтительно способ содержит предотвращение прохода твердых частиц гравийного фильтра в участок кольцевого пространства, когда поток суспензии для гравийного фильтра прекращается в области скважины в результате закрытия нижних фильтров гравием или песком. Способ может содержать закачку суспензии для гравийного фильтра по криволинейному пути и может дополнительно содержать обеспечение осаждения твердых частиц гравийного фильтра на поверхности над участком кольцевого пространства.
Согласно второму аспекту изобретения создано набухающее скважинное устройство, содержащее оправку, набухающий элемент, расположенный на оправке, содержащий материал, способный увеличиваться в объеме при стимулирующем воздействии в стволе скважины и приспособленный для набухания в кольцевом пространстве ствола скважины для создания кольцевого барьера между оправкой и окружающей стенкой в стволе скважины, причем при использовании устройство содержит полость для размещения объема твердого материала, перемещенного из кольцевого пространства ствола скважины набухающим элементом при его набухании до нужного состояния.
Устройство может иметь первое состояние, в котором оно образует первый объем в кольцевом пространстве ствола скважины, и второе состояние, в котором в устройстве образуется полость. Устройство может содержать сокращающийся участок, который уменьшает объем, занимаемый устройством в кольцевом пространстве ствола скважины, для формирования одной или нескольких полостей. В другом варианте осуществления устройство содержит полость, в которую могут перемещаться твердые частицы гравийного фильтра.
Сокращающийся участок может содержать один или несколько расходуемых материалов, способных претерпевать физические изменения в кольцевом пространстве ствола скважины для уменьшения объема, занимаемого устройством в кольцевом пространстве ствола скважины. По меньшей мере, один из одного или нескольких расходуемых материалов может претерпевать физические изменения в условиях в стволе скважины для обеспечения диспергирования материала в твердых частицах гравийного фильтра.
Сокращающийся участок может содержать любой из материалов, перечисленных выше в контексте первого аспекта изобретения, которые могут быть модифицированы для обеспечения размещения в объеме, спускаемом с инструментом в ствол скважины. Например, расходуемый участок может содержать частицы, шарики, капсулы или зерна, сжатые или уплотненные для образования твердого корпуса инструмента, или может содержать сетку или матрицу, связывающую материал в твердом корпусе инструмента. В одной конфигурации расходуемый материал содержит матрицу из эластомерного материала, набухающего для обеспечения доступа текучей среды и/или миграции дискретных частиц, шариков, капсул или зерен для ускорения дисперсии материала в материал гравийного фильтра.
Устройство может содержать множество сокращающихся участков и множество набухающих элементов. Устройство может содержать множество сокращающихся участков и множество набухающих элементов, расположенных с чередованием на оправке.
Устройство может содержать один или несколько расширяющихся участков и один или несколько сокращающихся участков, при этом один или несколько сокращающихся участков выполнены из относительно мягкого материала (то есть мягче, чем расширяющиеся участки). Устройство может содержать один или несколько относительно упрочненных образований на расширяющихся участках или вокруг них. Упрочненные образования могут содержать кромки, вершины и/или кольца, выполненные из металла, композита, пластика или относительно твердого эластомерного материала, и могут создавать начальный контакт в нескольких точках или контакт по линии периметра.
Предпочтительно сокращающиеся участки выполняются из эластомера, по существу, не набухающего или со скоростью набухания ниже, чем у материала, образующего расширяющиеся участки.
Устройство может содержать сокращающиеся участки, которые образуют внутреннюю камеру. Камера может менять форму, складываясь, сокращаясь или с иной деформацией с сокращением объема для уменьшения объема, занимаемого в стволе скважины.
Камера может содержать отверстия для выпуска текучей среды из камеры. Отверстия могут содержать пробки, которые могут функционировать, открываясь, например, благодаря сдвигу. Отверстия могут содержать клапаны для управления выпуском текучей среды из камеры.
В одном варианте осуществления камера содержит выборочно проницаемую мембрану, которая может удерживать материал в камере в первом состоянии и обеспечивать выход материала из камеры и проход через выборочно проницаемую мембрану во втором состоянии.
Устройство может содержать камеру и средство подачи текучей среды из камеры в набухающий элемент. Текучая среда может представлять собой активирующую текучую среду для набухающего элемента, и устройство может быть выполнено с возможностью опорожнения камеры текучей среды и подачи текучей среды к набухающему элементу. Средство может содержать канал для текучей среды, который может являться пористым или волокнистым капиллярным материалом. Канал может проходить из камеры текучей среды в набухающий элемент.
Устройство может содержать камеру и линию управления текучей средой, проходящую на поверхность. Линия управления текучей средой может обеспечивать управляемый отвод текучей среды из камеры.
Устройство может содержать сокращающийся участок с механическим армированием или несущей конструкцией. Сокращающийся участок может содержать слой материала, выбранный для разложения или диспергирования в условиях в стволе скважины для открытия воздействию внутренней полости. Полость может располагаться в механической несущей конструкции, которая может содержать отверстия для прохода твердых частиц из гравийного фильтра в полость.
В одном варианте осуществления изобретения устройство содержит сокращающийся участок, содержащий камеру, сообщающуюся с кольцевым пространством ствола скважины при использовании. Указанное сообщение предпочтительно осуществляется через один или несколько клапанов, которые могут являться клапанами одностороннего действия. Клапаны могут обеспечивать приток текучей среды из кольцевого пространства ствола скважины в камеру во время спуска в скважину и/или укладки гравийного фильтра. Устройство может снабжаться одним или несколькими выпусками для текучей среды, обеспечивающими выход текучей среды из камеры и обеспечивающими уменьшение камеры в объеме. В одном варианте осуществления клапаны имеют первое состояние, в котором обеспечивается приток текучей среды из кольцевого пространства ствола скважины в камеру и предотвращается выход текучей среды из камеры, и второе состояние, в котором обеспечивается приток текучей среды в камеру и ее выход из камеры. Функция выпуска текучей среды может, таким образом, выполняться клапанами во втором состоянии.
Устройство может содержать набухающий элемент, способный набухать постепенно от первого места на продольной оси ко второму месту на продольной оси. Предпочтительно первое место на продольной оси расположено дальше от соответствующего сокращающегося участка, чем второе место на продольной оси. Набухающий элемент может набухать постепенно в направлении к сокращающемуся участку. Первое место на продольной оси может располагаться над вторым местом на продольной оси (или ближе к поверхности).
В некоторых вариантах осуществления изобретения устройство содержит полость или закрытый объем для размещения твердых частиц из гравийного фильтра. Полость или закрытый объем может размещаться в оправке или основной трубе. Устройство может содержать один или несколько элементов, перемещающихся от первого места, в котором проем, ведущий в полость, или закрытый объем закрыт, во второе положение, в котором проем не закрыт.
Устройство может содержать средство, предотвращающее или ограничивающее проход твердых частиц гравийного фильтра через кольцевое пространство. Предпочтительно средство (которое можно называть барьером для твердых частиц), обеспечивает сквозной проход твердых частиц с потоком жидкости-носителя, но предотвращает или ограничивает проход твердых частиц из гравийного фильтра через кольцевое пространство в отсутствие потока жидкости-носителя.
Варианты осуществления второго аспекта изобретения могут содержать элементы первого аспекта изобретения и его вариантов осуществления или наоборот.
Согласно третьему аспекту изобретения создана смесь для гравийного фильтра, содержащая множество твердых частиц и множество расходуемых частиц, перемешанных с твердыми частицами, при этом расходуемые частицы выполнены из материала, способного занимать первый объем в суспензии гравийного фильтра во время закачки и размещения вокруг оборудования в стволе скважины и претерпевать физические изменения в условиях в стволе скважины для уменьшения рабочего объема гравийного фильтра.
Предпочтительно материал способен претерпевать физические изменения в условиях в стволе скважины для обеспечения его диспергирования в твердых частицах гравийного фильтра и уменьшения объема при диспергировании в твердых частицах гравийного фильтра.
Вариант осуществления третьего аспекта изобретения может содержать элементы первого или второго аспектов изобретения и их вариантов осуществления или наоборот.
Согласно четвертому аспекту изобретения создан способ выполнения операций с гравийным фильтром в стволе скважины, содержащий следующие стадии:
размещение в кольцевом пространстве ствола скважины устройства, содержащего оправку и набухающий элемент, установленный на оправке и содержащий материал, способный увеличиваться в объеме при стимулирующем воздействии на него в стволе скважины;
размещения гравийного фильтра в кольцевом пространстве ствола скважины, в котором размещено устройство;
формирование одной или нескольких полостей в кольцевом пространстве или смежно с ним;
обеспечение увеличения в объеме набухающего элемента в кольцевом пространстве в стволе скважины; и
перемещение твердых частиц гравийного фильтра в одну или несколько полостей.
Предпочтительно формирование одной или нескольких полостей выполняется одновременно с набуханием набухающего элемента. При этом твердые частицы гравийного фильтра могут перемещаться вместе с набуханием набухающего элемента и созданием полости.
Одна или несколько полостей могут формироваться в объеме между оправкой и окружающей стенкой ствола скважины.
В некоторых вариантах осуществления изобретения одна или несколько полостей формируются в объеме материала гравийного фильтра.
Материал гравийного фильтра может, например, содержать смесь твердых частиц и расходуемых частиц или проппантов, которые могут рассеиваться в суспензии для гравийного фильтра.
Варианты осуществления четвертого аспекта изобретения могут содержать элементы с первого по третий аспекты изобретения и их вариантов осуществления или наоборот.
Согласно пятому аспекту изобретения создан способ выполнения операций установки гравийного фильтра в стволе скважины, содержащий следующие стадии:
размещение в кольцевом пространстве ствола скважины устройства, содержащего оправку и набухающий элемент, установленный на оправке, и содержащий материал, способный увеличиваться в объеме при стимулирующем воздействии на него в стволе скважины;
создание верхнего барьера твердых частиц над набухающим элементом;
закачка жидкости-носителя гравийного фильтра в кольцевое пространство в стволе скважины, в котором размещено устройство через верхний барьер твердых частиц и мимо устройства для транспортировки твердых частиц гравийного фильтра через верхний барьер твердых частиц и размещения гравийного фильтра поверх одного или нескольких устройств для предотвращения поступления песка, расположенных под устройством;
уменьшение расхода через верхний барьер твердых частиц, по существу, предотвращая транспортировку твердых частиц гравийного фильтра через верхний барьер твердых частиц;
обеспечение увеличения в объеме набухающего элемента для образования кольцевого барьера в кольцевом пространстве ствола скважины.
Предпочтительно способ содержит после размещения гравийного фильтра поверх одного или нескольких устройств для предотвращения поступления песка, расположенных под устройством, размещение гравийного фильтра поверх одного или нескольких устройств для предотвращения поступления песка, расположенных над устройством. Предпочтительно гравийный фильтр размещается поверх одного или нескольких устройств для предотвращения поступления песка, расположенных над устройством в продолжение размещения гравийного фильтра поверх одного или нескольких устройств борьбы с поступлением песка, расположенных под устройством (то есть как часть одной операции перекачки). Способ может при этом содержать отвод жидкости-носителя гравийного фильтра от первого пути потока, где обеспечивается укладка твердых частиц гравийного фильтра поверх одного или нескольких устройств для предотвращения поступления песка, расположенных под устройством, во второй путь потока, причем обеспечивается размещение твердых частиц гравийного фильтра поверх одного или нескольких устройств для предотвращения поступления песка, расположенных над устройством. Во втором пути потока поток жидкости-носителя через верхний барьер твердых частиц предпочтительно является недостаточным для транспортировки твердых частиц гравийного фильтра мимо верхнего барьера твердых частиц. Предпочтительно во втором пути потока поток жидкости-носителя через верхний барьер твердых частиц по существу или полностью прекращается.
Предпочтительно способ содержит обеспечение осаждения твердых частиц гравийного фильтра на верхнем барьере твердых частиц.
Варианты осуществления пятого аспекта изобретения могут содержать элементы аспектов изобретения с первого по четвертый и их вариантов осуществления или наоборот.
Согласно шестому аспекту изобретения создано устройство для использования в операциях с гравийным фильтром в стволе скважины, содержащее насосно-компрессорную трубу для установки в стволе скважины для образования кольцевого пространства ствола скважины, расширяющийся элемент, установленный на насосно-компрессорной трубе для расширения и образования кольцевого барьера в кольцевом пространстве ствола скважины, и верхний барьер твердых частиц, расположенный над расширяющимся элементом и способный обеспечивать проход твердых частиц гравийного фильтра при перекачивании жидкости-носителя гравийного фильтра через верхний барьер твердых частиц и ограничивать или предотвращать проход твердых частиц гравийного фильтра при уменьшенном расходе жидкости-носителя, проходящей через верхний барьер твердых частиц.
Предпочтительно верхний барьер твердых частиц содержит криволинейный путь для текучей среды и/или твердых частиц, перекачиваемых через верхний барьер твердых частиц. Верхний барьер твердых частиц может содержать поверхность для опирания твердых частиц гравийного фильтра.
Устройство может содержать нижний барьер твердых частиц.
Варианты осуществления шестого аспекта изобретения могут содержать элементы аспектов изобретения с первого по пятый и их вариантов осуществления или наоборот.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже описаны только в качестве примера различные варианты осуществления изобретения с прилагаемыми чертежами, на которых показано следующее.
На фиг.1 схематично показано сечение системы добычи известной техники в нескольких зонах.
На фиг.2A схематично показано сечение для заканчивания в нескольких зонах согласно варианту осуществления изобретения с укладкой гравийного фильтра на нескольких интервалах добычи.
На фиг.2B схематично показано сечение для заканчивания в нескольких зонах фиг.2A с изоляцией зон.
На фиг.3А и 3B схематично показаны сечения системы пакера согласно варианту осуществления изобретения соответственно до и после образования кольцевого барьера.
На фиг.4A и 4B схематично показаны сечения системы пакера согласно альтернативному варианту осуществления изобретения, соответственно до и после образования кольцевого барьера.
На фиг.5A и 5B схематично показаны сечения системы пакера согласно дополнительному альтернативному варианту осуществления изобретения соответственно до и после образования кольцевого барьера.
На фиг.7A и 7B схематично показаны сечения системы пакера согласно другому варианту осуществления изобретения соответственно до и после образования кольцевого барьера.
На фиг.8 схематично показано сечение системы пакера с сокращающимся участком согласно альтернативному варианту осуществления изобретения.
На фиг.9 схематично показано сечение системы пакера с сокращающимся участком согласно альтернативному варианту осуществления изобретения.
На фиг.10 схематично показано сечение системы пакера с сокращающимся участком согласно дополнительному альтернативному варианту осуществления изобретения.
На фиг.11 схематично показано сечение системы пакера с сокращающимся участком согласно другому варианту осуществления изобретения.
На фиг.12 схематично показано сечение системы пакера с сокращающимся участком согласно альтернативному варианту осуществления изобретения.
На фиг.13A и 13B схематично показаны сечения системы пакера согласно альтернативному варианту осуществления изобретения соответственно до и после образования кольцевого барьера.
На фиг.14А-14D схематично показаны сечения системы пакера согласно дополнительному альтернативному варианту осуществления изобретения на разных этапах ее развертывания.
На фиг.15A и 15B схематично показаны системы пакера согласно альтернативному варианту осуществления изобретения соответственно до и во время образования кольцевого барьера.
На фиг.16A и 16B схематично показаны сечения системы пакера согласно альтернативному варианту осуществления изобретения, соответственно в состоянии спуска в скважину и во время образования кольцевого барьера.
На фиг.17A и 17B схематично показаны сечения детали системы пакера альтернативного варианта осуществления изобретения, включающей в себя устройство открытия полости в форме подвижного концевого элемента, соответственно в закрытом и открытом положениях.
На фиг.18A и 18B схематично показаны сечения детали альтернативной системы пакера, включающей в себя устройство открытия полости в форме подвижного упорного узла, показанного соответственно в открытом и закрытом положениях.
На фиг.19 показан в перспективе набухающий элемент пакера, который можно использовать в варианте осуществления фиг.18A и 18B.
На фиг.20A и 20B показаны частично в сечении виды конфигурации системы пакера согласно варианту осуществления изобретения до и после укладки гравийного фильтра и изоляция зоны соответственно.
На фиг.21A и 21В показаны частично в сечении виды конфигурации системы пакера согласно варианту осуществления изобретения до и после укладки гравийного фильтра и изоляция зоны соответственно.
На фиг.22A показан частично в сечении вид системы пакера согласно альтернативному варианту осуществления изобретения.
На фиг.22B и 22C показаны сечения детали механического пакера системы пакера фиг.21 соответственно до и после укладки гравийного фильтра.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
При использовании в данном документе термин "компьютерная система" может относиться к одному компьютеру или нескольким компьютерам, работающим вместе для выполнения функции, описанной как выполняемая компьютерной системой.
На фиг.1 показана известная система добычи в нескольких зонах, в которой размещение гравийных фильтров выполняется в индивидуальных зонах с отдельными операциями укладки гравийного фильтра. Варианты осуществления изобретения являются примерами альтернативных подходов к установке гравийных фильтров, как разъясняется в описании, приведенном ниже.
На фиг.2А-2C показано продольное сечение части системы 200 заканчивания в подземном пласте 201 в двух разных фазах установки. На фиг.2A показана эксплуатационная колонна 202 насосно-компрессорных труб, установленная в стволе 204 скважины (который в данном примере является обсаженным стволом скважины). На эксплуатационной колонне 202 насосно-компрессорных труб установлены через аксиальные интервалы устройства 206a и 206b для предотвращения поступления песка (вместе обозначенные позицией 206). Устройства 206a, 206b соответственно установлены в интервалах (или зонах) 207a, 207b добычи. Изолирующие устройства в форме набухающих скважинных пакеров 208 установлены между устройствами 206.
Когда эксплуатационная колонна 202 насосно-компрессорных труб и ее компоненты спущены в скважину в нужное положение, показанное на фиг.2A, гравийный фильтр 210 размещается в интервалах 207a, 207b добычи с помощью перекачки гравийной суспензии в кольцевом пространстве 203 между эксплуатационной колонной 202 насосно-компрессорных труб и стенкой ствола скважины. Гравийный фильтр 210 размещается в интервалах 207a и 207b, окружая устройства 206 в один этап с помощью перекачки суспензии мимо набухающих скважинных пакеров 208 до их перехода в расширенное состояние. На фиг.2B показан гравийный фильтр 210, расположенный в нескольких интервалах 207.
В способах настоящего изобретения зоны 207 изолируются друг от друга с помощью расширения изолирующих устройств после укладки гравийного фильтра 210. Когда гравийный фильтр 210 находится на месте, набухающие скважинные пакеры 208 подвергаются активированию стимулирующим воздействием обычным способом, обеспечивающим их увеличение в объеме. Для примера набухающий скважинный пакер содержит набухающий эластомерный материал, выбранный для увеличения в объеме под воздействием жидкого углеводорода. Увеличение в объеме образует кольцевой барьер 212 между интервалами 207a и 207b добычи с гравийными фильтрами, который противодействует (или полностью предотвращает) прохождение потока текучих сред в кольцевом пространстве 203 между зонами 207.
Благодаря изоляции зон добычи после укладки гравийного фильтра настоящее изобретение значительно упрощает операции установки гравийных фильтров, обеспечивает размещение гравийных фильтров в зонах, расположенных близко друг к другу, и исключает размещение гравийных фильтров в нескольких интервалах в отдельных операциях, при этом обеспечивая возможность оператору осуществлять добычу из или нагнетание в различные зоны раздельно и независимо с изоляцией кольцевого пространства и/или противодействием перепадам давления. Предпочтительным является то, что настоящее изобретение не основано на использовании систем альтернативного пути с шунтирующей трубой и обеспечивает использование концентрических обходных путей потока для гравийной суспензии фильтра.
Изобретатели считают, что эффективность изолирующего или кольцевого барьера зависит от степени вдавливания от набухания изолирующего устройства в кольцевое пространство, в котором уложен гравийный фильтр, и изобретатели считают, что в некоторых системах добычи/заканчивания степень изоляции может ограничиваться давлением от набухания набухающего скважинного пакера. Конкретные варианты осуществления изобретения, приведенные ниже в виде примеров, обеспечивают набухание (и поэтому изоляцию) благодаря созданию способов или устройств для смещения или перераспределения твердого материала в гравийном фильтре после укладки.
На фиг.3А и 3B схематично показано сечение части системы 220 добычи в нескольких зонах, содержащей эксплуатационную колонну 222 насосно-компрессорных труб в обсаженной скважине 224, устройство 226 борьбы с поступлением песка и изолирующее устройство в форме набухающего скважинного пакера 228. Гравийный фильтр 230 размещается в кольцевом пространстве способом, описанным выше и показанным на фиг.2А-2C. Гравийный фильтр 230 содержит смесь твердых частиц 232, таких как песок и гравий, и расходуемых частиц в форме шариков 234. Шарики 234 в данном варианте осуществления являются частицами, выполненными из твердого материала в виде геля, и смешиваются с твердыми частицами гравийного фильтра в заданных пропорциях. Шарики 234, накапливаясь, занимают известный объем V гравийного фильтра 230. Твердый гелеобразный материал в виде шариков 234 выбирается сохраняющим свое состояние и объем в гравийном фильтре 230 во время перекачки суспензии в кольцевое пространство и поэтому занимает объем V в гравийном фильтре 230 вокруг пакера 228, как показано на фиг.3А. Вместе с тем материал шариков 234 способен претерпевать изменения в условиях в стволе скважины. После некоторого периода времени в условиях в стволе скважины гелеобразный материал шарика размягчается и разжижается и диспергируется в гравийный фильтр 230. Данный гелеобразный материал диспергируется в промежутки между твердыми частицами гравийного фильтра, что обеспечивает изменения в общем пространстве, которое занимает гравийный фильтр вокруг набухающего пакера 228. Ожижение шариков 234 создает некоторое количество полостей в кольцевом пространстве, в которые вытесняются твердые частицы 232 гравийного фильтра при увеличении набухающего пакера 228 в объеме. Объем расширения, требуемый для создания подходящего кольцевого барьера в системе добычи, можно вычислить заранее, и пропорцию шариков 234 можно выбрать такой, чтобы объем V был равен или приблизительно равен объему расширения. Поэтому твердые частицы в кольцевом пространстве между пакером 228 и стенкой ствола скважины вытесняются в пустоты, созданные вокруг пакера 228, и обеспечивают увеличение в объеме набухающего материала пакера. Данный способ, таким образом, создает эффективную методику вытеснения гравийного фильтра для содействия образованию кольцевого барьера в операциях укладки гравийного фильтра в нескольких зонах в одном рейсе.
Должно быть ясно, что в случае создания нескольких скважинных пакеров (как в данном случае) доля шариков 234 вычисляется, чтобы быть равной или приблизительно равной суммарному объему расширения скважинных пакеров. Необходимо, чтобы материал гравийного фильтра, укладываемого вокруг и непосредственно вблизи набухающих скважинных пакеров, содержал расходуемые частицы с плотностью больше, чем у материала гравийного фильтра, находящегося дальше от пакеров. При этом изменение объема и вытеснение твердых частиц концентрируется в окрестности пакера.
Альтернативные варианты осуществления могут содержать расходуемые частицы из различных материалов и/или различных форм. В одном альтернативном варианте осуществления (не показано) гравийный фильтр 230 содержит смесь твердых частиц 232 и шариков из вспененного эластомерного материала. Шарики сохраняют свою форму и объем во время перекачки суспензии в кольцевом пространстве и поэтому занимают объем V в гравийном фильтре 230 вокруг пакера 228. После некоторого периода времени в условиях в стволе скважины вспененный материал шариков становится сжимаемым и сжимается давлением твердых частиц гравийного фильтра при увеличении набухающего пакера в объеме. Суммарное уменьшение ΔV объема шариков может быть сделано равным или приблизительно равным требуемому объему расширения скважинных пакеров для обеспечения вытеснения равного объема твердых частиц из окрестности пакеров для содействия эффективному расширению. В другом альтернативном варианте осуществления расходуемые частицы содержат мембраны или оболочки, окружающие твердое ядро. Под землей и в условиях перекачки мембрана или оболочка является непроницаемой для материала ядра. Вместе с тем после некоторого периода времени в условиях в стволе скважины твердое ребро ожижается, для него становится проницаемой мембрана или оболочка, и ядро выходит из мембраны для диспергирования в гравийном фильтре. Получающееся в результате уменьшение в объеме создает полости, в которые твердые частицы вокруг и вблизи пакера могут вытесняться.
В дополнительном альтернативном варианте осуществления механизм, с помощью которого расходуемый материал меняет свое состояние или объем, запускается стимулирующим воздействием, таким как подача, нагнетание или циркуляция текучей среды, которое меняет свойства материалов. Например, химический разжижитель может подаваться или циркулировать через кольцевое пространство для превращения твердого гелеобразного материала в жидкость, или растворитель может подаваться или циркулировать для растворения твердого материала, или мембраны, или оболочки, которая удерживает другой материал, который затем диспергируется в гравийный фильтр.
Другие примеры материалов, которые можно использовать в настоящем изобретении, включают в себя следующее (исключительно или в комбинации):
а. шарики, выполненные из вещества, которое сублимируется, такое как нафталин или 1,4-дихлорбензол.
б. Инкапсулированная растворимая система, содержащая относительно стабильную наружную оболочку и жидкий или другой диспергируемый материал. Подходящие материалы для наружной оболочки включают в себя животные белки, такие как желатин, или растительные полисахариды или их производные, такие как каррагенаны и модифицированные формы крахмала и целлюлозы. Оболочка растворяется при использовании для обеспечения диспергирования внутреннего материала.
в. Твердые парафиновые шарики или зерна, которые разрушаются растворителями (такими как легкие углеводороды) или модификаторами кристаллов парафина.
г. Твердые гранулы углеводородного геля или парафина или полимерный материал, который является твердым при комнатной температуре и плавится при температурах в стволе скважины.
д. Комбинация набухающей резины в смеси с высокими концентрациями полимеров-суперабсорбентов или гидрогелей. Воздействие на матрицу набухающей резины активирующей текучей среды обеспечивает набухание матрицы и уменьшает ее способность связывать полимеры-суперабсорбенты или гидрогели в смеси, обеспечивая их диспергирование.
е. Ксантановые гели или гидроксильные гели.
ж. Соответствующие промышленным стандартам системы геля и разжижителя геля.
з. Временные закупоривающие агенты, такие как бензойная кислота и ее соли (например, бензойнокислый натрий), растворимые в стволе скважины.
и. Медленно растворяющиеся кристаллы (например, крупные кристаллы соли).
В вариантах осуществления, описанных выше, используются модификации материалов гравийного фильтра для создания изменения объема в материале гравийного фильтра или проппанте после его укладки для размещения расширения изолирующего устройства. На фиг.4A и 4B схематично показан вариант осуществления набухающего скважинного пакера, дающего аналогичные преимущества в вариантах применения гравийного фильтра, но с адаптацией самого инструмента.
Набухающий скважинный пакер 240, показанный в продольном сечении, установлен на эксплуатационном трубном изделии в стволе 204 скважины. Набухающий пакер 240 содержит материал 242, способный увеличиваться в объеме под воздействием текучей среды в стволе скважины, и расходуемый материал 244, размещенный между парой концевых колец 246. В данном примере расходуемый материал является термопластичным полимером. Когда пакер 240 установлен в нужное место в стволе 204 скважины, гравийный фильтр 210 укладывается вокруг пакера 240. Расходуемый материал 244 занимает объем в кольцевом пространстве в стволе скважины во время укладки 210 гравийного фильтра (фиг.4A). После периода выдерживания при температурах в стволе скважины термопластичный материал 244 начинает размягчаться и плавиться, переходя в жидкую фазу, которая затем диспергируется в порах в гравийном фильтре. Это вызывает уменьшение инструмента в объеме в окрестности набухающего пакера, куда твердые частицы гравийного фильтра вытесняются при увеличении в объеме набухающего материала для образования кольцевого барьера. Расходуемый материал выбирается согласно условиям воздействия во время развертывания и/или изготовления. Например, в случае если инструмент планируют использовать при высокой температуре в стволах скважин, расходуемый материал должен выбираться с температурой плавления, достаточно высокой для предотвращения его слишком быстрого плавления (то есть до набухания расширяющегося материала). Аналогично, если изготовление инструмента содержит этапы обработки, на которых инструмент подвергается воздействию высоких температур (например, отверждение набухающего эластомера), расходуемый материал должен быть не плавящимся во время изготовление (или способ должен быть модифицирован для предотвращения воздействия высоких температур на расходуемый материал).
Должно быть ясно, что другие типы расходуемых материалов можно использовать в альтернативных вариантах осуществления изобретения. Например, вариант осуществления фиг.4A и 4B может включать в себя расходуемый материал, способный разлагаться или претерпевать изменения объема под давлениями, которые испытывает в стволе скважины. Альтернативно (или в дополнение) расходуемый материал может быть разлагающимся под воздействием текучих сред, присутствующих в стволе скважины, или текучих сред, подаваемых в ствол скважины или циркулирующих в ней. Например, расходуемый материал может представлять собой твердый гелеобразный материал, смолу или пластик, чувствительный к растворителю или химическому разжижителю. Подача текучей среды, содержащей растворитель или химический разжижитель, например, с помощью циркуляции текучей среды мимо инструмента, может обеспечивать растворение расходуемого материала или иное его диспергирование для создания полости, в которую могут вытесняться твердые частицы материала гравийного фильтра. Любые материалы, перечисленные выше в контексте варианта осуществления фиг.3А или 3B, можно использовать с модифицированием для обеспечения расположения в объеме, который переносит инструмент на место работы в скважине. Например, расходуемый участок может содержать частицы, шарики, капсулы или зерна, сжатые или уплотненные для образования твердого корпуса инструмента, или может содержать сетку или матрицу, связывающую материал в твердый корпус инструмента. В одной конфигурации расходуемый материал содержит матрицу из эластомерного материала, набухающую для обеспечения доступа текучей среды и/или миграции дискретных частиц, шариков, капсул или зерен для ускорения дисперсии материала в материал гравийного фильтра.
Принципы варианта осуществления фиг.4A и 4B можно также применять для конфигурации инструмента с многочисленными кольцами, как показано на фиг.5A и 5B. В данном варианте осуществления пакер 260 состоит из нескольких колец набухающего материала 242 и нескольких колец расходуемого материала 244, расположенных с чередованием на инструменте 260 в продольном направлении. Устройство колец выполнено в такой конфигурации, что объем уменьшения расходуемого материала колец 242 соответствует объему расширения, требуемому для колец 244 из набухающего материала. Вытеснение твердых частиц гравийного фильтра в пространства, создаваемые разложившимся или диспергированным расходуемым материалом, обеспечивает расширение колец из набухающего материала и образование ряда кольцевых барьеров между эксплуатационной колонной насосно-компрессорных труб и стенкой ствола скважины.
Альтернативный вариант осуществления схематично показан на фиг.6A и 6B. В данном варианте осуществления набухающий скважинный пакер 280 установлен на эксплуатационной колонне 282 насосно-компрессорных труб в необсаженном стволе 284 скважины. Пакер 280 содержит расширяющийся участок 286 между парой концевых колец. Расширяющийся участок 286 имеет по своей длине ряд кольцевых объемов 288 набухающего эластомерного материала, выбранных для расширения под воздействием активирующей текучей среды (такой как углеводороды в стволе скважины). Набухающие кольцевые объемы 288 разделены кольцевыми объемами 290 ненабухающего эластомерного материала, чередующимися с набухающими кольцевыми объемами в продольном направлении вдоль пакера. Ненабухающий эластомерный материал, образующий кольцевые объемы 290, является относительно мягким в сравнении с набухающим эластомерным материалом, образующим кольцевые объемы 288, и в данном варианте осуществления является эластомерной пеной, включающей в себя сжимающиеся внутренние полости с воздухом. Вокруг набухающих объемов 288 располагаются упрочненные уплотнительные кольца 292 из металла, образующие самые удаленные от осевой линии радиальные точки набухающих объемов 288.
При использовании пакер 280 устанавливается в необсаженном стволе скважины между зонами добычи, и материал 210 гравийного фильтра укладывается вокруг пакера и смежных устройств для предотвращения поступления песка (не показано). Набухающий материал в объемах 288 подвергается воздействию текучей среды в стволе скважины, и получающееся в результате расширение материала создает силу давления при набухании, направленную радиально наружу в гравийный фильтр 210. Проникновению набухающего материала в гравийный фильтр способствуют относительно твердые уплотнительные кольца 292, образующие сужающуюся уплотнительную кромку. Материал гравийного фильтра сжимается расширяющимся объемом 290 в зоне, расположенной между объемами 290 и стенкой ствола скважины. Данное сжатие материала гравийного фильтра передает силу давления на ненабухающие объемы 290. Относительно мягкий ненабухающий материал сжимается и уменьшается в объеме, создавая пространство, в которое материал гравийного фильтра, смежный с объемами 288, может вытесняться. Твердые частицы гравийного фильтра могут мигрировать в относительно мягкую ненабухающую резину, при этом резина является достаточно мягкой для прохода в промежутки между твердыми частицами в гравийном фильтре.
Упрочненные уплотнительные кольца 292 выполнены сужающимися для улучшения проникновения в гравийный фильтр 210 и вытеснения твердых частиц к смежным объемам сжимаемого материала. Объемы набухающего материала 288 также выполнены сужающимися в направлении перемещения наружу от эксплуатационной колонны насосно-компрессорных труб. Данная форма улучшает расширение набухающего материала в гравийном фильтре 210 и требует меньшего объема вытеснения материала гравийного фильтра, чем форма без сужения. Должно быть ясно, что объемы 290 ненабухающего эластомера могут проходить по длине больше, чем набухающие объемы 288 (то есть объемы 290 могут быть сравнительно большими). Это означает, что пропорциональное уменьшение в объеме вследствие сжатия для размещения вытесненного материала гравийного фильтра является небольшим в сравнении с пропорциональным расширением набухающих объемов.
Вариант осуществления фиг.6A и 6B является особенно подходящим для вариантов с малым зазором, где внутренний диаметр ствола скважины только ненамного больше (например, на 0,25-1 дюйм (6-25 мм) наружного диаметра пакера, спускаемого в него, и где пакер требуется только для создания кольцевого барьера, препятствующего проходу потока, но не требуется для удержания высокого перепада давления. Вариант осуществления также особенно предпочтителен для горизонтальных или с большими отходами стволов скважин и также специально применяется в необсаженных скважинах и/или песчаных пластах (хотя варианты применения в обсаженном стволе скважины также выполнимы). Причиной является то, что более мягкая ненабухающая резина создает в любых условиях некоторую степень поддержки гравийного фильтра и пласта. Никакое дополнительное пустое пространство быстро не создается, что означает малую вероятность падения твердых частиц гравийного фильтра в кольцевом пространстве. Песок должен вытесняться постепенно набухающим эластомером, и объем должен абсорбироваться в ненабухающий эластомер.
Хотя объемы 290 описаны выше как "ненабухающие", должно быть ясно, что некоторая степень набухания не исключается. Вместе с тем набухание в объемах 290 требуется замедленное или с задержкой в сравнении с набуханием материала в объемах 288. Описанный вариант осуществления включает в себя упрочненные уплотнительные кольца 292, но в других вариантах осуществления отличающиеся формы или конструктивные элементы из относительно твердого материала могут втапливаться в или размещаться в набухающем объеме для содействия проникновению в гравийный фильтр. Относительно твердый материал может являться металлом, композитом, пластиком или относительно твердым эластомерным материалом и может создавать контакты в многочисленных начальных точках или контакт по линии периметра.
Должно быть ясно, что элементы варианта осуществления фиг.6A и 6B можно использовать в комбинации с элементами описанных выше вариантов осуществления, например, объемы 290 могут включать в себя разлагающийся эластомер или другой твердый материал, описанный выше и показанный на фиг.4 и 5, и/или варианты осуществления, описанные выше и показанные на фиг.4 и 5, могут включать в себя упрочненные образования или конструктивные элементы для содействия проникновению в материал гравийного фильтра. В дополнительной альтернативе материал объемов 290 может также обеспечивать импрегнирование твердых частиц из гравийного фильтра в материал.
Дополнительный альтернативный вариант осуществления изобретения схематично показан на фиг.7A и 7B. В данном варианте осуществления набухающий скважинный пакер 300 показан в продольном сечении в необсаженном стволе 301 скважины (хотя должно быть понятно, что варианты применения в обсаженном стволе скважины также являются подходящими). Набухающий скважинный пакер 300 содержит корпус 302, установленный между двумя концевыми кольцами на эксплуатационной колонне 304 насосно-компрессорных труб. Корпус содержит расширяющийся участок 306, выполненный из кольцевого объема набухающего эластомерного материала 308, который способен увеличиваться в объеме под воздействием текучей среды в стволе скважины. Пакер 300 также включает в себя кольцевой сокращающийся объем 312, в продольном направлении отделенный от расширяющегося участка 306 и выполненный с возможностью уменьшения объема, который занимает в стволе 301 скважины во время работы. Сокращающийся объем 312 образует камеру 314 в состоянии спуска в скважину (показано на фиг.7A). Пакер 300 выполнен в конфигурации для спуска в скважину и установки между смежными зонами добычи с камерой 314 в полном кольцевом объеме в состоянии, показанном на фиг.7A. Когда пакер 300 устанавливается в нужное положение, гравийный фильтр 310 укладывается вокруг пакера 300 и смежных устройств борьбы с поступлением песка (не показано) обычным способом. Когда гравийный фильтр 310 уложен, набухающий материал 308 подвергается воздействию текучих сред в стволе скважины, которое запускает его увеличение в объеме. Смежный сокращающийся объем 312 выполнен с возможностью изменения при складывании, сокращении или другой деформации камеры 314 для уменьшения объема, занятого в стволе скважины. При этом увеличивается размер кольцевого пространства в стволе 301 скважины и создается полость для материала 310 гравийного фильтра, вытесненного набухающим материалом 308 при его расширении в смежной части ствола скважины.
В данном простом варианте осуществления изобретения камера 314 является складывающейся, и постепенное увеличение объема набухающего материала 308 сжимает материал 308 гравийного фильтра, который передает усилие на сокращающийся объем 312 для складывания камеры 314. Вместе с тем в некоторых вариантах применения силы давления при набухании предпочтительных набухающих материалов 308 являются низкими и могут быть неспособны уменьшить размер сокращающегося объема только сжатием, особенно поскольку сокращающийся объем может быть сконструирован выдерживающим значительное воздействие от самого гравийного фильтра и давления текучей среды в стволе скважины, не складываясь, когда гравийный фильтр укладывается вокруг пакера и устройств борьбы с поступлением песка. Предпочтительные варианты осуществления изобретения поэтому включают в себя элементы и методики, содействующие операции сокращения объема, так что складывание основывается не только на одном сжатии от материала 310 гравийного фильтра.
Примеры реализации принципов варианта осуществления фиг.7A и 7B схематично показаны на фиг.8-12. Элементы данных вариантов осуществления относятся к пакеру 300 и не описаны в интересах краткости изложения. В варианте осуществления фиг.8 пакер 320 содержит набухающий участок 322 и сокращающийся участок 324. Сокращающийся участок 324 содержит камеру 326, включающую в себя эластичный баллон 328, накачиваемый текучей средой перед спуском в скважину (и как показано на чертеже). Отверстия 330 прохода текучей среды устанавливаются между эластичным баллоном 328 и внутренним каналом эксплуатационной колонны насосно-компрессорных труб и создают путь выпуска текучей среды из эластичного баллона 328 для его опорожнения. Вместе с тем в состоянии спуска в скважину отверстия прохода текучей среды закрыты пробками 332, удерживающими текучую среду в эластичном баллоне 328. Пробки 332 выполнены в конфигурации для среза в стандартной геотехнической операции (такой как геотехническая операция на проволоке) для обеспечения выхода текучей среды из камеры и в эксплуатационную колонну 304 насосно-компрессорных труб. Высвобождение давления текучей среды из эластичного баллона 332 в сокращающемся участке 324 обеспечивает складывание кольцевого участка в направлении внутрь для создания пространства в стволе скважины, в которое твердые частицы гравийного фильтра могут вытесняться благодаря набуханию набухающего материала в набухающем участке 322.
Хотя возможен быстрый выпуск текучей среды из эластичного баллона, существует риск того, что быстрое изменение в объеме может вызывать повторную укладку твердых материалов гравийного фильтра в неуправляемом режиме, которая включает в себя вытеснение твердых частиц из частей ствола скважины, иных чем кольцевое пространство, окружающее набухающий материал. Это может не обеспечивать достаточного вытеснения из кольцевого пространства, непосредственно примыкающего к набухающему материалу, и поэтому в некоторых вариантах применения может быть необходимо высвобождение текучей среды в течение периода времени, соответствующего графику набухания набухающего материала.
В варианте осуществления фиг.9 пакер 340 является аналогичным пакеру 320 фиг.8, и одинаковые компоненты показаны одинаковыми позициями. Вместе с тем в данном случае отверстия 330 прохода текучей среды снабжены клапанами 342, управляющими потоком текучей среды из эластичного баллона 328, при этом график расхода соответствует графику набухания набухающего участка 322. С приданием конфигурации сокращающемуся кольцевому участку 324 для сокращения в объеме с одинаковой или аналогичной с расширением набухающего участка 322 скоростью материал гравийного фильтра, смежный с набухающим участком, может постепенно вытесняться в увеличивающееся кольцевое пространство, создаваемое смежно с сокращающимся участком 324.
Должно быть ясно, что в дополнительном альтернативном варианте осуществления (не показано) пакер может содержать устройство отверстий прохода текучей среды с управляемыми пробками и клапанами выпуска текучей среды. В дополнительном альтернативном варианте отверстия прохода текучей среды могут сами иметь конструкцию для дросселирования потока до расхода, соответствующего скорости сокращения, совпадающей со скоростью набухания набухающего материала.
В варианте осуществления, показанном на фиг.10, набухающий пакер 360 содержит кольцевой сокращающийся участок с камерой 364 текучей среды, ограниченный мембраной 366 с выбранной проницаемостью. Камера 364 текучей среды заполняется вязкой текучей средой, такой как гель (как описано выше) перед спуском в скважину. Текучая среда является достаточно вязкой, так что не проходит через выбранную мембрану 366, и поэтому давление текучей среды поддерживается в камере. Данное давление текучей среды уравновешивает силы, действующие на сокращающийся объем во время укладки гравийного фильтра. По прошествии продолжительного времени в условиях в стволе скважины повышенные температуры вызывают разложение текучей среды и уменьшение вязкости текучей среды до уровня, достаточного для прохода через мембрану 366 и выхода текучей среды камеры 364 в кольцевое пространство ствола скважины. Текучая среда диспергируется, что обеспечивает уменьшение в объеме сокращающегося участка и создание пространства, в которое материалы гравийного фильтра могут вытесняться при набухании набухающего участка 324.
Должно быть понятно, что хотя в варианте осуществления фиг.10 описана вязкая текучая среда, меняющая свойства при температурах в стволе скважины, другие способы достижения аналогичного эффекта можно осуществлять в альтернативных вариантах реализации изобретения. Например, текучая среда камеры 364 может содержать вязкий или гелеобразный материал, который не может проходить через мембрану 366, в комбинации с химическим разжижителем. Химический разжижитель может быть выбран для разжижения вязкой текучей среды или геля после заданного периода времени до менее вязкой текучей среды, которая может проникать через мембрану для сброса давления текучей среды в кольцевой камере. Такие материалы имеются среди соответствующих промышленным стандартам систем геля и разжижителей геля, обычно используемых для других целей в скважине.
Дополнительный альтернативный вариант осуществления изобретения схематично показан на фиг.11. В данном варианте осуществления набухающий скважинный пакер 380 содержит канал 382 для текучей среды между сокращающимся участком 384 и набухающим участком 322. Текучая среда, содержащаяся в камере 386 сокращающегося участка, является активирующей текучей средой для набухающего участка 322. Канал, который в данном случае является пористым или волокнистым капиллярным материалом, проходит от камеры 386 для текучей среды в набухающий материал и создает путь выхода текучей среды из камеры. При абсорбировании текучей среды набухающим материалом последний увеличивается в объеме, и объем кольцевой камеры 386 соответственно уменьшается, обеспечивая вытеснение частиц гравийного фильтра в кольцевом пространстве ствола скважины при расширении набухающего материала.
В варианте осуществления фиг.12 набухающий пакер 390 содержит сокращающийся участок 392 с линией 394 управления текучей средой, проходящей от поверхности в камеру 396 текучей среды. Линия 394 управления текучей средой обеспечивает управляемый выпуск текучей среды из камеры 396 за нужное время и с нужным расходом, обеспечивая уменьшение в объеме сокращающегося участка и создание полости для твердых частиц гравийного фильтра, вытесненных набухающим элементом.
Альтернативный вариант осуществления изобретения показан на фиг.13A и 13B. Данный вариант осуществления является аналогичным вариантам осуществления, описанным выше и показанным на фиг.7-12, и должен стать понятным из прилагаемого описания. В данном варианте набухающий скважинный пакер 400 содержит сокращающийся участок 402, включающий в себя камеру 404, содержащую полость 406. Для создания сокращающегося участка, выдерживающего нагрузки в стволе скважины, такие как силы гидростатического давления гравийного фильтра 310, механическая несущая конструкция в форме армирующей клетки 408 создана вокруг камеры 404, обеспечивая дополнительную механическую поддержку и противодействие радиальному и/или аксиальному сжатию. Сокращающийся участок 402 снабжен наружным слоем 410 из эластомерного материала, изолирующим камеру 404 в состоянии спуска в скважину, как показано на фиг.13A. Материал наружного слоя 404 разлагается в условиях в стволе скважины. После продолжительного нахождения в стволе скважины, как показано на фиг.13B, наружный слой 410 разлагается, открывая отверстия 412 в механической несущей конструкции 408. При этом открывается полость 406 для твердых частиц гравийного фильтра, обеспечивая их вытеснение в полость при расширении набухающего материала смежного расширяющегося участка 414 для образования кольцевого барьера (как показано на фиг.13B).
Альтернативный вариант осуществления изобретения, описанный ниже, показан на фиг.14А-14D. В данном варианте осуществления набухающий скважинный пакер 420 содержит расширяющийся участок 422 и сокращающийся участок 424, которые устанавливаются в продольном направлении смежно на эксплуатационном трубном изделии. Сокращающийся участок 424 снабжен устройством автономной накачки внутренних пустот или полостей 426. Полости 426 в данном варианте осуществления показаны как дискретные кольцевые камеры, хотя альтернативные устройства возможны в других вариантах осуществления. Например, полости могут содержать сложную сеть пор, пустоты или полости различных размеров или распределения, такие как в открытой пенной структуре. Функцией внутренних полостей 426 в первую очередь является обеспечение изменения объема сокращающегося участка 424 (т.e. сокращения) при использовании и во вторую очередь прием текучей среды для содействия поддержанию кольцевого объема во время спуска в скважину и укладки гравийного фильтра, как описано ниже.
Сокращающийся участок 424 содержит наружную поверхность 428, предотвращающую проход текучей среды между пространством снаружи сокращающегося участка 424 и внутренними полостями 426. Несколько отверстий 430 для прохода текучей среды к наружной поверхности 428 располагаются между пространством снаружи и внутри сокращающегося участка 424. В отверстиях 430 расположены клапаны 432 управления проходом текучей среды между пространством внутри и снаружи сокращающегося участка 424. В состоянии спуска в скважину, показанном на фиг.14A, в полостях 426 нет текучей среды, и они содержат воздух или инертный газ при окружающем давлении. Клапаны 432 являются клапанами одностороннего действия, обеспечивающими приток текучей среды из пространства снаружи набухающего пакера 420 во внутренний объем, образованный сокращающимся участком 424. Во время спуска в скважину пакер 420 подвергается воздействию увеличивающегося гидростатического давления текучих сред в стволе скважины. Гидростатическое давление в стволе скважины является достаточным для преодоления противодавления клапанов 432 для прохода текучей среды в стволе скважины в полости 426 в сокращающемся участке, как схематично показано на фиг.14B. Таким образом, сокращающийся участок 424 заполняется текучей средой в стволе скважины, и увеличивающееся давление в стволе скважины обеспечивает вход дополнительной текучей среды в полости 426. При этом увеличивается давление во внутренней полости до уравновешивания с давлением в стволе скважины, предотвращая складывание сокращающегося участка 424. Текучая среда удерживается в полости клапанами 432, и поэтому, даже если давление в кольцевом пространстве ствола скважины уменьшается, сокращающийся участок не уменьшается в объеме. Данное нагружение давлением сокращающегося участка 424 обеспечивает противодействие силам его сжатия материалом гравийного фильтра при его укладке вокруг пакера 420 и смежных устройств борьбы с поступлением песка.
Клапаны 432 в отверстиях 430 для прохода текучей среды содержат компоненты, разлагающиеся при длительном воздействии на них высоких температур, таких как действующие в стволе скважины. Клапаны сохраняют свою герметичность и поэтому функционируют как клапаны одностороннего действия для удержания давления во внутренних полостях 426 в течение времени, достаточного для спуска в скважину и укладки гравийного фильтра. Вместе с тем после продолжительного нахождения в стволе скважины клапаны реагируют на воздействие условий в стволе скважины и начинают разлагаться. На фиг.14C показан пакер 420, установленный в необсаженном стволе скважины, после размещения гравийного фильтра 434 и после разложения клапанов. В данном состоянии клапаны больше не предотвращают проход текучей среды из внутренних полостей наружу. Поэтому текучей среде обеспечивается проход в полости и из полостей, как указано стрелками.
На фиг.14D показан набухающий скважинный пакер 420 с частично расширенным набухающим материалом расширяющегося участка 422 вследствие воздействия текучих сред в стволе скважины. При этом возникает сила давления на твердый материал гравийного фильтра, перемещающийся к сокращающемуся участку 420. Текучая среда выходит из отверстий 430 для прохода текучей среды, что обеспечивает деформирование и сжатие сокращающегося участка 424. Следующее за этим уменьшение его объема создает пространство в кольцевом пространстве ствола скважины для твердых частиц гравийного фильтра, вытесняемых набуханием набухающего материала, как описано выше для предыдущих вариантов осуществления.
Выше описаны различные подходы к развертыванию гравийного фильтра и изоляции, в которых использовано создание одного или нескольких пространств, полостей или пустот для обеспечения вытеснения материала гравийного фильтра расширяющимся элементом набухающего скважинного пакера. В некоторых вариантах применения геометрия ствола скважины (включающая в себя наружный диаметр спуска в скважину, диаметр ствола и наклон ствола скважины), выбор набухающего материала и/или характеристики материала гравийного фильтра должны обеспечивать постепенное вытеснение частиц гравийного фильтра в полость. Вместе с тем некоторые варианты осуществления изобретения включают в себя специальное конструктивное исполнение пакера, содействующее вытеснению твердых частиц гравийного фильтра, как описано ниже.
На фиг.15A показано продольное сечение примера системы набухающего скважинного пакера, который можно предпочтительно использовать с системами гравийного фильтра настоящего изобретения. Набухающий пакер 450 показан, по существу, в вертикальном участке необсаженного ствола 451 скважины. Как и в предыдущих вариантах осуществления, скважинный пакер 450 содержит расширяющийся участок 452, установленный над (то есть ближе к поверхности) сокращающимся участком 454 между парой концевых колец на эксплуатационной колонне 455 насосно-компрессорных труб. Как и ранее, набухающий скважинный пакер 450 образует часть системы добычи, содержащей несколько устройств для предотвращения поступления песка (не показано), сконструированных для использования с гравийным фильтром 456. На фиг.15A гравийный фильтр 456 укладывается вокруг системы пакера 450.
Расширяющийся участок 452 содержит набухающий материал, увеличивающийся в объеме от стимулирующего воздействия в стволе скважины (такого как текучая среда в стволе скважины) и сокращающийся участок 454, выполненный с возможностью уменьшения в объеме для создания полости, в которую материал гравийного фильтра может вытесняться при увеличении в объеме набухающего материала. Вместе с тем расширяющийся участок 452 данного варианта осуществления отличается от предыдущих вариантов осуществления тем, что набухающий материал в различных зонах расширяющегося участка увеличивается в объеме с различными скоростями. В данном варианте осуществления это достигается созданием колец 458 из набухающего эластомерного материала, которые набухают с разными скоростями, при контакте с текучей средой в стволе скважины. Верхнее кольцо 458a набухающего материала (ближайшее к устью ствола скважины и самое дальнее от сокращающегося участка) набухает с самой высокой скоростью. Смежное кольцо 458b набухающего участка набухает медленнее, и последующие кольца 458c, 458d, 458e и 458f расширяющегося участка каждое набухает медленнее кольца, установленного над ним. Это означает, что расширяющийся участок набухает поступательно от верхнего конца 460 к нижнему концу 462.
При использовании, как должно быть понятно из предыдущих вариантов осуществления, сокращающийся участок 454 уменьшается в объеме одновременно с увеличением в объеме расширяющегося участка 452. В варианте осуществления фиг.15A и 15B начальное набухание верхнего кольца 458a расширяющегося участка должно передавать силу давления на твердые частицы гравийного фильтра. Уменьшение объема сокращающегося участка 454, расположенного ниже по вертикали, обеспечивает содействие гравитации в вытеснении материала гравийного фильтра в направлении вниз. Это обеспечивает вытеснение всего материала гравийного фильтра, смежного с верхним кольцом 458, до полного набухания смежного кольца 458b и нижних колец 458 расширяющегося участка для входа в контакт со стенкой ствола скважины. Во время поступательного набухания расширяющегося участка 452 материал гравийного фильтра постепенно вытесняется вниз из кольцевого пространства в верхних областях с помощью гравитации и не блокируется для перемещения в назначенную область (то есть полость, созданную смежно с сокращающимся участком). Это предотвращает создание перемычки из материала гравийного фильтра между расширяющимся участком 452 и стенкой ствола скважины, результатом чего является удовлетворительный контакт между набухающим материалом и стенкой ствола скважины с образованием кольцевого барьера или уплотнения в стволе скважины с увеличенными показателями герметизации и удержания давления.
Хотя расширяющийся участок показан здесь разделенным на шесть колец 458 набухающего материала, должно быть ясно, что в альтернативных вариантах осуществления набухающий участок может разделяться на большее или меньшее число колец.
Должно быть также ясно, что расширяющийся участок не обязательно должен выполняться с созданием смежных колец из эластомерного материала с различными свойствами набухания, и другие методики можно использовать для управления набуханием материала для его поступательного набухания в заданном направлении. Например, покрытие или слой, препятствующий набуханию, может создаваться снаружи набухающего материала. Это можно выборочно применять в различных зонах расширяющегося участка или создавать покрытия различной толщины или качества в разных зонах. Альтернативно или в дополнение набухающий материал может быть выполнен с различной степенью сшивки в эластомерном материале в различных зонах расширяющегося участка (понятно, что высокая плотность сшивки в набухающем эластомере дает в результате уменьшенную скорость набухания в сравнении с эластомером с относительно низкой сшивкой). Альтернативно или в дополнение, площадь поверхности различных зон набухающего материала может варьироваться для воздействия на скорость набухания. Это можно получить, например, вводя перфорацию на наружной поверхности набухающего материала с большей плотностью перфораций в областях, где требуется набухание с повышенной скоростью. В дополнительной альтернативе покрытия или слои, препятствующие набуханию, но разлагающиеся в условиях в стволе скважины с различными скоростями, можно наносить на наружную поверхность расширяющегося участка. Должно быть ясно, что принципы данного варианта осуществления изобретения можно также реализовать с использованием унитарного корпуса набухающего эластомерного материала.
Вариант осуществления фиг.15A и 15B показан, по существу, в вертикальном стволе скважины, хотя должно быть ясно, что гравитационное перемещение материала гравийного фильтра можно также использовать в наклонно-направленном стволе скважины. Аналогичные эффекты можно также получить, по существу, в боковых стволах скважины. На фиг.16A и 16B схематично показан вариант осуществления, в котором также используется принцип постепенного набухания варианта осуществления, описанного выше и показанного на фиг.15A и 15B. В данном варианте осуществления набухающий скважинный пакер 470 образован между парой концевых колец на эксплуатационной колонне 475 насосно-компрессорных труб. На фиг.16A скважинный пакер 470 показан в состоянии спуска в скважину на эксплуатационной колонне насосно-компрессорных труб и содержит расширяющийся участок 472, установленный между парой сокращающихся участков 474a и 474b. В данном варианте осуществления расширяющийся участок 472 также выполнен из набухающего материала и имеет конструктивное исполнение для поступательного набухания от центральной в продольном направлении зоны 478a в направлении наружу к концевым кольцам 480. При использовании, как показано в необсаженном стволе скважины на фиг.16B, начальное набухание центральной набухающей зоны 478a вызывает сжатие материала гравийного фильтра и вытеснение в направлении наружу к полостям, создаваемым сокращающимися участками 474a, 474b, как указано стрелками. Смежные зоны 478b в направлении наружу расширяющегося участка расширяются поступательно, вызывая постепенное вытеснение материала гравийного фильтра с уменьшением возможностей создания перемычек, результатом чего является создание более надежного кольцевого барьера.
Ниже описаны альтернативные варианты осуществления изобретения, показанные на фиг.17-19. Данные варианты осуществления являются аналогичными друг другу в том, что при использовании они функционируют, создавая доступ в замкнутый объем, в который твердые частицы гравийного фильтра могут вытесняться.
На фиг.17A и 17B показана деталь компоновки 500 пакера, включающей в себя набухающий элемент 502, установленный на модифицированной основной трубе 504. Компоновка пакера содержит подвижный концевой элемент 506, который установлен на основной трубе 504 и окружает конец набухающего элемента 502. Только одна часть пакера показана здесь в сечении, но должно быть ясно, что набухающий элемент 502 является кольцевым, проходящим вокруг основной трубы 504. Концевой элемент 506 имеет наклон вверх от основной трубы 504 на своей точке соединения и примыкающем участке и перекрывает набухающий элемент 502 на своем дальнем конце. Один концевой элемент 506 показан на чертеже, но компоновка 500 пакера содержит несколько концевых элементов 506, разнесенных по периметру вокруг компоновки. Подвижный концевой элемент 506 соединяется с основной трубой 504 пальцем 509, что обеспечивает его поворот. При повороте увеличивается радиальное расстояние до дальнего конца 507 элемента 506, перемещающегося от центральной осевой линии компоновки при расширении набухающего элемента (как показано на фиг.17B).
Модифицированная основная труба 504 включает в себя внутреннюю кольцевую полость 510, снабженную разнесенными по периметру окнами 512 (одно показано на чертеже), выходящими на наружную поверхность компоновки 500 пакера (то есть в кольцевое пространство ствола скважины при использовании). В конфигурации спуска в скважину окна 512 во внутреннюю полость закрыты заслонками 508 на ближнем участке концевого элемента 506, предотвращающими проход твердых частиц гравийного фильтра в полость 510. Набухающая компоновка 500 пакера образует фиксированный кольцевой объем во время спуска в скважину и во время укладки материала гравийного фильтра и смежных устройств борьбы с поступлением песка (не показано). После продолжительного нахождения в условиях в стволе скважины набухающий материал элемента 502 (подвергнутый воздействию в стволе скважины активирующей текучей среды) увеличивается в объеме, как показано на фиг.17B. Силы давления при набухании от набухающего элемента вызывают поворот концевого элемента 506, когда дальний конец 507 выталкивается наружу. Перемещение концевого элемента 506 вызывает поворот ближнего участка, перемещая заслонку 508 и открывая окно в полость 508. Это создает доступ в объем, в который твердые материалы гравийного фильтра могут вытесняться (в направлении стрелок) при расширении набухающего элемента 502.
На фиг.18A и 18B показан дополнительный альтернативный вариант осуществления изобретения. На чертежах показана деталь набухающей компоновки 520 пакера, аналогичной компоновке 500 пакера, что должно быть понятно из фиг.17A и 17B и соответствующего описания. Как и в предыдущем варианте, набухающая компоновка 520 пакера содержит набухающий элемент 522, установленный на модифицированной основной трубе 524, и концевое кольцо 526, которое поддерживает перемещающуюся упорную компоновку 528. Упорная компоновка 528 состоит из устройства с перекрывающими поворотными листами 530, расположенными по периметру на основной трубе 524, по существу, для перекрывания концевого набухающего элемента 522. Такие упорные конструкции известны в технике, например, из публикации W02008/062186 (включена в данный документ в виде ссылки) и сконструированы для противодействия экструзии набухающего материала при использовании. Вместе с тем в данном варианте осуществления упорная конструкция закрывает и перекрывает окно 532 в кольцевой объем 534 в модифицированной основной трубе.
Набухающий элемент 522 данного варианта осуществления снабжен несколькими сужающимися разгрузочными каналами 536, разнесенными по периметру на набухающем элементе, как наиболее четко показано на фиг.19 (для четкости на фиг.19 показан изолированный набухающий элемент без упорной компоновки 528 и без основной трубы 524). Набухающий элемент 522 состоит из корпуса из набухающего эластомерного материала, выполненного обычными способами в кольцевой оболочке. На каждом набухающем элементе 522 продольные сужающиеся каналы 536 выполнены станочной обработкой в наружной поверхности 538 в местах, разнесенных по периметру. Каналы 536 сужаются к позиции, расположенной в направлении продольно к центру набухающего корпуса 502, где они мелкие и узкие и являются самыми широкими и глубокими на конце набухающего корпуса 502. Концы 536 являются открытыми. В компоновке 520 пакера упорная компоновка 528 окружает набухающий элемент 522 и находится в контакте с наружной поверхностью резины на дальних концах поворачивающихся листов 530. Вместе с тем в положении каналов 536 создается открытый путь между кольцевым пространством снаружи набухающего элемента 502 и пространством 5, расположенным между упорной компоновкой 528 и основной трубой 504.
При использовании набухающая компоновка 520 пакера устанавливается в стволе скважины в состоянии спуска в скважину, показанном на фиг.18A. Затем, когда пакер занимает положение между двумя интервалами добычи, гравийный фильтр укладывается вокруг набухающей компоновки пакера и смежных устройств для предотвращения поступления песка (не показано). Компоновка 520 набухающего пакера вначале образует кольцевой объем, вокруг которого формируется гравийный фильтр. После продолжительного нахождения в условиях в стволе скважины набухающий материал подвергается воздействию активирующей текучей среды и расширяется. На фиг.18B показан частично расширившийся набухающий элемент 522. Радиальное расширение развертывает индивидуальные листы на упорной компоновке 526, как показано на фиг.18B. Данный подъем упорной компоновки 528 раскрывает окна 532 во внутреннюю полость 534 и создает путь прохода для твердых частиц материала гравийного фильтра, подлежащих вытеснению в полость (как указано направлением стрелок) через каналы 536 и пространство 535.
Выше описаны различные устройства и способы образования кольцевого барьера и/или изоляции зон добычи в операциях создания гравийного фильтра, в которых используется изменение фактического объема в кольцевом пространстве для содействия вытеснению твердых частиц гравийного фильтра, которые в ином случае могут мешать набуханию. Вместе с тем также в объеме изобретения находится использование предпочтительного потока и укладки твердых частиц гравийного фильтра для содействия последующей изоляции. Две конкретных конфигурации для вариантов применения, предложенных изобретением, показаны на фиг.20 и 21.
На фиг.20A и 20B схематично показана система 540 набухающего пакера, установленная в обсаженной скважине 542. На чертежах показана система частично на виде сбоку (слева) и частично в сечении (справа). Система пакера 540 имеет конфигурацию для соединения в эксплуатационной колонне насосно-компрессорных труб 544 с устройствами 546 для предотвращения поступления песка и содержит внутреннюю оправку 548, создающую непрерывный канал с эксплуатационной колонной 544 насосно-компрессорных труб. Наружная оправка 550 является соосной с внутренней оправкой 548 и образует внутренний кольцевой байпас 552 в основное кольцевое пространство 554 ствола скважины 554 между верхним и нижним манжетными пакерами 556a, 556b. Кольцевой набухающий элемент 558 устанавливается вокруг внутренней оправки в кольцевом байпасе 552. При использовании суспензия для гравийного фильтра перекачивается с поверхности по кольцевому пространству 554 ствола скважины между эксплуатационной колонной насосно-компрессорных труб и обсадной колонной и отводится через отверстия (не показано) в верхнем манжетном пакере 556a во внутренний кольцевой байпас, образованный внутренней и наружной оправками 548, 550. Суспензия для гравийного фильтра перекачивается мимо не расширившегося набухающего элемента 558 пакера во внутреннем кольцевом байпасе 552 и затем отводится через нижний манжетный пакер 556b через отверстия (не показано) в нижний участок 560 кольцевого пространства ствола скважины. Текучая среда возврата проходит через нижний фильтр 546, осаждая твердые частицы гравийного фильтра в нижней части кольцевого пространства 560 ствола скважины вокруг устройства для предотвращения поступления песка. Когда нижние фильтры 546 закрываются, падение давления на нижних фильтрах прекращает проход текучей среды возврата через нижние фильтры. Вместо этого текучая среда возврата проходит через верхние фильтры (не показано), обеспечивая осаждение твердых частиц гравийного фильтра в верхнем кольцевом пространстве над верхним манжетным пакером 556a. С прекращением прохода текучей среды через кольцевой байпас 552 твердые частицы гравийного фильтра больше не транспортируются потоком текучей среды во внутренний кольцевой байпас. Таким образом, хотя суспензия для гравийного фильтра (включающая в себя твердые частицы и жидкость-носитель) присутствует в кольцевом байпасе 552, твердые частицы не накапливаются в кольцевом байпасе 552. Твердые частицы гравийного фильтра укладываются над верхним манжетным пакером 556, закрывая верхние фильтры (не показано) до завершения гравийного фильтра.
Когда проход потока текучей среды прекращается, верхний манжетный пакер 556a предотвращает заполнение внутреннего кольцевого пространства песком, которое иначе происходит в результате гравитационного осаждения твердых частиц гравийного фильтра. Этим ограничивается объем твердых частиц гравийного фильтра, присутствующих во внутреннем кольцевом байпасе, теми твердыми частицами, которые суспендированы в объеме суспензии, занимающей кольцевое пространство. Со временем набухающий эластомерный материал элемента 558 пакера увеличивается в объеме во внутреннем кольцевом байпасе. Объем занятого твердыми частицами гравийного фильтра в кольцевом пространстве достаточно мал, что обеспечивает расширение набухающего элемента 558 в контакт с внутренней стенкой наружной оправки 550 и изоляцию кольцевого пространства от дополнительного потока текучей среды через систему. Поэтому в вариантах осуществления фиг.20A и 20B достигается полная изоляция смежных зон добычи благодаря комбинации манжетных пакеров 556 и набухающего элемента 558, установленного во внутреннем кольцевом байпасе.
Дополнительный альтернативный вариант осуществления изобретения показан на фиг.21A и 21B. Данный вариант осуществления является аналогом системы 540 и должен стать понятным из описания и фиг.20A и 20B. Система 580 набухающего пакера соединяется в систему добычи с устройствами 581 для предотвращения поступления песка и эксплуатационной колонной 582 насосно-компрессорных труб. Как и в предыдущем варианте, набухающий элемент 584 пакера выполнен на внутренней оправке 588, соединяющейся в эксплуатационной колонне 582 насосно-компрессорных труб под верхним манжетным пакером 586. Данный вариант осуществления отличается от системы 540 тем, что используется один манжетный пакер 586, а не комбинация верхнего и нижнего манжетных пакеров. Манжетный пакер 586 имеет конфигурацию для направления суспензии для гравийного фильтра из верхнего кольцевого пространства 588 ствола скважины в кольцевое пространство 590 ствола скважины, расположенное под манжетным пакером 586. Суспензия для гравийного фильтра проходит мимо набухающего элемента 584 пакера, как показано на фиг.21A, текучая среда возврата проходит через нижние фильтры 581 до их закрытия. Когда нижние фильтры закрываются, текучая среда имеет предпочтительный путь возврата через верхние фильтры (не показано), проход потока через нижние фильтры 581 прекращается, и поток отводится в проход через верхние фильтры (не показано), расположенные над манжетным пакером 586 также до их закрытия твердыми частицами гравийного фильтра.
Также, как описано выше, когда проход потока текучей среды прекращен, гравитационное осаждение частиц гравийного фильтра должно происходить в области под манжетным пакером 586 и под набухающим элементом 584 пакера. Вместе с тем верхний пакер 586 должен предотвращать гравитационное перемещение частиц гравийного фильтра из верхнего кольцевого пространства 588 в нижнее кольцевое пространство 590. При этом создается достаточно пространства вокруг элемента 584 пакера для его расширения в контакте с обсадной колонной ствола скважины для создания кольцевого барьера и/или изоляции смежных зон добычи, как показано на фиг.21B.
Должно быть понятно, что хотя набухающие элементы скважинного пакера вариантов осуществления, описанных выше и показанных на фиг.20 и 21, являются простыми набухающими элементами пакера с расширяющимися участками, системы можно модифицировать и улучшать с подключением методик, описанных выше, для увеличения пространства полости, обеспечивая дополнительное вытеснение твердых частиц гравийного фильтра от набухающего элемента. Например, можно использовать системы фиг.20 и 21 с сокращающимися участками, внутренними полостями или уменьшающимися в объеме проппантами, описанными выше. Должно быть также ясно, что хотя выше описаны манжетные пакеры, можно использовать в системах пакеров другие пакеры, такие как механические пакеры в объеме изобретения.
На фиг.22A, 22B и 22C схематично показан конкретный вариант осуществления изобретения с предпочтительным устройством для сокращения объема песка вокруг набухающего элемента пакера. Система 600 фиг.22A должна стать понятной из фиг.20A, 20B, 21A и 21В и соответствующего текста. На фиг.22B и 22C показана деталь одного варианта осуществления байпаса, проходящего через устройство пакера, позиции 620 на фиг.22A.
В системе 600 пакер 620 на оправке 610 отделяет верхнее кольцевое пространство 622 ствола скважины от нижнего кольцевого пространства 624 ствола скважины. Под механическим пакером 620 установлен на оправке 610 набухающий элемент 612 пакера. Механический пакер 620 включает в себя отверстия для прохода суспензии для гравийного фильтра через пакер из верхнего кольцевого пространства в нижнее кольцевое пространство. В данном варианте осуществления пакер 620 создает криволинейный или извилистый путь 626 для суспензии для гравийного фильтра. Извилистый путь 626 содержит проход через входное отверстие 628 в наружную кольцевую камеру 630. Выходное отверстие 632 из наружной кольцевой камеры устанавливается по вертикали над входным отверстием, и поэтому направление потока реверсируется при проходе через камеру 630. Текучая среда затем проходит во внутреннюю кольцевую камеру 634, в которой проходит вниз в радиальное выходное отверстие 636. Под радиальным выходным отверстием 636 располагается сборный объем 638.
Во время укладки гравийного фильтра суспензия для гравийного фильтра перекачивается через криволинейный путь 626 в пакере 620 и в кольцевое пространство ствола скважины 624 и несет твердые частицы гравийного фильтра, как показано на фиг.22B. Хотя твердые материалы гравийного фильтра могут переноситься турбулентным потоком текучей среды, когда поток текучей среды останавливается (вследствие закрытия нижних фильтров текучая среда отводится через верхние фильтры), гравитация обеспечивает падение твердых частиц в текучей среде. Путь 626 текучей среды является достаточно извилистым, так что твердые частицы направляются наклонно для образования перемычки на входном отверстии 628, при этом большая часть песка внутри пакера 620 падает в сборный объем 638, как показано на фиг.22C.
С песчаной перемычкой над набухающим элементом нижнее кольцевое пространство 624 ствола скважины вокруг элемента должно иметь более низкое относительное содержание твердых частиц, оставляя элементу достаточно пространства для набухания и уплотнения к стенке обсадной колонны без необходимости смещения твердых частиц в образованную полость.
Должно быть ясно, что альтернативное средство можно использовать для обеспечения создания твердыми частицами перемычки и предотвращения прохода песка через пакер. Например, пакер может иметь путь потока в виде лабиринта, экранированные отверстия или отверстия с размерами, обеспечивающими создание свода из зерен песка на отверстиях для остановки перемещения песка. Для пакера необходима прочная и достаточно грубая поверхность для осаждения твердых частиц и нарастания до высоты, достаточной для полной укладки в верхней зоне гравийного фильтра. В дополнение места входа текучей среды должны быть ориентированы так, что сила тяжести не обеспечивает падения твердых частиц через отверстия при осаждении твердых частиц и не продолжается заполнение кольцевого пространство внизу без помощи потока текучей среды для переноса твердых частиц.
Должно быть понятно, что отвод потока от возвратного пути через нижние фильтры к возвратному пути через верхние фильтры не обязательно должен основываться на падении давления, получающемся в результате закрытия нижних фильтров, но ему может способствовать приведение в действие одного или нескольких клапанов.
Должно быть также ясно, что пакер с криволинейным или извилистым путем фиг.22A и 22B можно также использовать в системе с верхним и нижним пакерами, показанными на фиг.20A и 20B. Хотя вариант осуществления фиг.22A и 22B описан в контексте пакера, он не ограничен пакером конкретного типа и может с таким же успехом использоваться с альтернативной системой пакера, такой как система с манжетным пакером.
Варианты осуществления изобретения, описанные выше, можно использовать с различными набухающими материалами, включающими в себя, но без ограничения этим набухающие эластомеры, увеличивающиеся в объеме под воздействием углеводородных текучих сред, набухающие эластомеры, увеличивающиеся в объеме под воздействием текучих сред на водной основе, и/или набухающие материалы, увеличивающиеся в объеме под воздействием как углеводородных текучих сред, так и текучих сред на водной основе (которые иногда называют «гибридными» набухающими материалами). Набухающие материалы должны выбираться для конкретного варианта применения. Данное является важным, поскольку не все набухающие материалы должны быть совместимыми с текучей средой всех типов; например, набухающий в воде материал может обезвоживаться, если используется в системе текучей среды с высоким содержанием соли.
Изобретение в его различных аспектах дает способ и/или устройство для операций создания гравийных фильтров на нескольких интервалах и устраняет недостатки ранее предложенных способов и устройств. В частности, изобретение устраняет недостатки обычных систем выполнения работ в нескольких зонах за один рейс, упрощая операции. Изобретение не требует большого количества специализированного оборудования для установки в скважинах и не требует сервисных инструментов, подлежащих повторной установке для укладки гравийного фильтра каждой зоны. Нет необходимости останавливать закачку после заканчивания каждой зоны. Настоящее изобретение в его различных аспектах не основано на использовании систем альтернативного пути с шунтирующей трубой и обеспечивает использование концентрических обходных путей потока суспензии для гравийного фильтра. Изобретение обеспечивает использование преимущества изоляционных систем с набухающим эластомером с упрощением и улучшенной надежностью. В дополнение, поскольку изобретение обеспечивает укладку гравийного фильтра до изоляции, гравийную суспензию можно закачивать, не дожидаясь установки в рабочее положение набухающих изолирующих устройств.
Изобретение дает способ и устройство для использования в скважинных операциях с гравийным фильтром. Способ содержит размещение в скважинном кольцевом пространстве устройства, содержащего оправку и набухающий элемент, выполненный из материала, способного увеличиваться в объеме при скважинном стимулирующем воздействии на него, размещение гравийного фильтра под устройством через кольцевое пространство, в котором размещено устройство, размещение гравийного фильтра над устройством и после размещения гравийного фильтра увеличение в объеме набухающего элемента, создавая кольцевой барьер в стволе скважины. Изобретение обеспечивает изоляцию нескольких интервалов скважины в одной операции размещения гравийного фильтра с использованием набухающих эластомеров и не основано на использовании систем альтернативного пути с шунтирующей трубой.
Различные модификации можно выполнять в объеме изобретения, как указано в данном документе, и варианты осуществления изобретения могут включать в себя комбинации признаков, отличающиеся от прямо заявленных.