EA013439B1 - Способ создания движения текучих сред в скважине между пластом и обсадной колонной - Google Patents

Abstract

Описываются способы и инструменты для уменьшения выноса песка, которые включают в себя этапы выполнения разрыва цементной оболочки (13) в локализованной зоне вокруг обсадной колонны (111), и имеющие зону разрыва, действующую как песчаный фильтр между пластом и отверстиями (113) в обсадной колонне (111), причем отверстия предварительно образованы, но временно заблокированы для обеспечения обычного первичного цементирования обсадной колонны. Этап выполнения разрыва также может использоваться для восстановительных операций для повторного открытия заблокированных пластов или фильтров.

Description

Предшествующий уровень техники изобретения

Настоящее изобретение относится к способам и устройству для заканчивания скважин, включающих в себя добывающие и нагнетающие скважины, но не ограничивающихся скважинами такого типа. Более конкретно, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения относятся к способам и устройству для сокращения количества абразивных или блокирующих твердых частиц, таких как песок из подземных пластов, входящих в ствол скважины либо при первоначальном заканчивании скважины или во время восстановительных операций для усовершенствования первоначального заканчивания. Подобно этому, в других вариантах осуществления настоящего изобретения создаются системы и способы для управления притоком/вытеканием в ствол скважины/из ствола скважины через локализованные трещины затвердевающего материала, связанного со стволом скважины. Поэтому настоящее изобретение может способствовать локализованным областям сниженного давления пласта и добычи в добывающей скважине или избирательному управлению потоком из нагнетающей скважины.

Некоторые подземные пласты, встречающиеся в бурении скважин, таких как нефтяные и газовые скважины, иногда имеют склонность заплывать песком во время фазы добычи. Когда песок выносится из пласта вместе с текучими средами, это может вызывать серьезные проблемы для добычи необходимых текучих сред вследствие блокировки и повреждений установок, производимых добываемыми твердыми частицами вследствие абразивной природы таких частиц.

Стволы скважин, которые бурятся в коллекторах, склонных к заплыванию песком, могут заканчиваться либо в конфигурации обсаженного ствола или в конфигурации необсаженного (открытого) ствола. Для заканчивания с обсаженным стволом колонна обсадной трубы, обычно образованная из набора стальных труб, соединенных в непрерывную цепь, цементируется по месту в стволе скважины.

Простейшей закачкой цемента является цементирование после установки обсадной колонны, когда текучая среда, содержащая цементный раствор, закачивается с поверхности в ствол скважины через обсадную колонну, возвращаясь к поверхности по кольцевому зазору между обсадной колонной и пластом. Цемент затвердевает в кольцевом пространстве за обсадными трубами для образования материала, который несет и защищает обсадные трубы и обеспечивает разобщение пластов.

В настоящее время заканчивание необсаженного (открытого) ствола в коллекторах, склонных к заплыванию песком, является часто сложным и дорогостоящим процессом, требующим использования техники для предотвращения выноса песка во время добычи.

Обычные современные пути предотвращения заплывания песком включают в себя следующее: гравийную набивку после помещения инструментов и фильтров в ствол; помещение фильтра с заранее выполненной набивкой в открытый ствол;

использование заканчивания с раздвижными фильтрами;

связывание вскрытой поверхности в песчаном пласте, например, с использованием смолы.

Процесс гравийной набивки требует использования специального инструмента, а незавершенное помещение гравия связано с хорошо известным риском, особенно в горизонтальных коллекторах. Фильтры с заранее выполненной набивкой исключают риск пропусков, но требуют специального сложного монтажа. Патент США № 3026936 предлагает улучшить добычу из скважины посредством использования разрыва в цементе. Выполнять разрыв цемента в вертикальной скважине предлагается с помощью пуль, механических ударников, поршней с гидроприводом и деформаций обсадной колонны посредством повышенного гидравлического давления. Вдобавок, предлагается увеличение проницаемости с помощью химической обработки.

Использование хвостовика обсадной колонны с заранее ослабленными (закупоренными пробками отверстиями) зонами предлагается в патенте США № 4531583, который описывает способ закачки цемента для восстановления каналов между обсадной колонной и цементом. Другое использование хвостовика обсадной колонны с заранее прорезанными отверстиями описывается в публикации патентной заявки США № 2005/0121203 А1, в которой раздвижной хвостовик надлежит привести в непосредственный контакт со стенкой ствола скважины.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на усовершенствование ранее предложенных технологий посредством локализации разрывов в цементе. В частности, в патенте США 3026936 раскрыты возможности добычи в скважине через раздробленную защитную цементную оболочку и перфорированную обсадную колонну. Данное решение, однако, было проигнорировано в пользу описанных выше устройств и технологий, которые доминируют в промышленности в области добычи скважин и контроля выноса песка.

Настоящее изобретение совершенствует некоторые аспекты, которые были идентифицированы как главные препятствия для реализации способа по патенту США № 3026936. Например, в решении по данному патенту не удается ограничить распространение трещин через цементную оболочку, таким образом, создавая возможность нежелательного перетока между слоями пласта и потери разобщения пластов. Хотя в патенте и указано на перфорирование обсадной колонны до ее спуска в скважину, но не раскрыты способы закачки цементного раствора через заранее перфорированные обсадные трубы.

Настоящее изобретение создает устройство и способы для локализации зоны разорванного цемента и, в другом аспекте, предусматривает усовершенствованную заранее перфорированную обсадную ко

- 1 013439 лонну для закачки цементного раствора в кольцевое пространство между обсадной колонной и пластом после установки обсадной колонны.

Для локализации зоны разорванного цемента в настоящем изобретении применяются локализованные и предпочтительно контролируемые силы давления на цементную оболочку (или любого другого материала с возможностью твердения, используемого для создания разобщения пластов) вдоль ствола скважины. Предпочтительно способ содержит расширение обсадной колонны в продуктивной зоне так, чтобы выполнить разрыв цемента в продуктивной зоне посредством элементов, передающих усилие или давление. Альтернативно, зона или объем с разорванным затвердевающим материалом ограничивается зоной или объемом более податливого и, следовательно, менее хрупкого материала, расположенного внутри кольцевого пространства. Перфорированные секции обсадной колонны или хвостовика размещаются так, что текучие среды из окружающего пласта, проходящие через зоны с разорванным материалом, могут входить в скважину через перфорацию обсадной колонны.

Зона или слой раздробленного материала, разделяющего обсадную колонну и продуктивный пласт, способно предотвратить вход песка и других твердых частиц в скважину. Другими словами, разорванный материал между пластом и обсадной колонной действует как песчаный фильтр.

По меньшей мере, секция обсадной колонны имеет множество отверстий, таких как щели, фильтры, сетки и им подобные. Отверстия предпочтительно заполняются или блокируются заполняющими извлекаемыми элементами или пробками во время закачки затвердевающего материала после установки обсадной колонны. Способ согласно данному варианту включает в себя дополнительный этап извлечения заполняющих элементов или пробок в обсадной колонне в продуктивной зоне перед добычей или во время добычи из скважины. Предпочтительно, чтобы извлечение заполняющих элементов или пробок осуществлялось до выполнения разрыва цемента или после выполнения разрыва цемента, но до начала добычи из скважины. В варианте осуществления настоящего изобретения, однако, заполняющий материал может извлекаться посредством добываемых пластовых текучих сред. Альтернативно, обсадная колонна, содержащая открытые входные отверстия, может быть спущена в скважину, содержащую в себе цемент или с закачиванием цемента в скважину после этого. В таких аспектах цемент, размещенный в стволе скважины, может выбуриваться из ствола скважины, оставляя ствол скважины чистым для дополнительных операций, таких как выполнение разрыва или подобных.

Эти разнообразные аспекты изобретения могут комбинироваться согласно техническим требованиям. Видно, что особенно преимущественным является комбинирование аспектов локализации разрывов в цементе с использованием заранее перфорированной обсадной колонны для улучшения добычи. Изобретение может быть практически применено для вертикальных и не вертикальных или горизонтальных скважин.

Другой аспект изобретения содержит устройство для выполнения локального разрыва цемента, окружающего обсадную колонну в скважине.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, с помощью контроля местоположения разрывов в цементе, затвердевающем материале и/или им подобными, притоком текучих сред в ствол скважины из коллектора и/или вытеканием текучих сред в коллектор из ствола скважины можно управлять. Это управление с использованием локализованных трещин в затвердевающем материале может использоваться как замена перфорации ствола скважины/обсадной колонны ствола скважины.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение описано со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:

фиг. 1А и 1В показывают один вариант осуществления изобретения до и после выполнения разрыва;

фиг. 1С и 1Ό показывают другой вариант осуществления изобретения до и после выполнения разрыва;

фиг. 2А и 2В показывают виды устройства согласно одному варианту осуществления изобретения;

фиг. 3А, 3В, 3С, 3Ό показывают различные формы обсадной колонны и адаптированных инструментов для использования в настоящем изобретении;

фиг. 4 показывает инструмент для создания ударных волн с целью разрыва цемента;

фиг. 5А, 5В, 5С показывают обсадную колонну с элементами локализации силы или давления согласно изобретению;

фиг. 6 показывает обсадную колонну с предварительно образованными отверстиями;

фиг. 7 показывает другой вариант обсадной колонны согласно изобретению;

фиг. 8 является блок-схемой этапов способа согласно варианту настоящего изобретения.

Подробное описание примеров и вариантов

В одном аспекте изобретения рассматривается способ цементирования после установки обсадной колонны, при котором должен создаваться проницаемый материал перед продуктивной зоной. Способ может осуществляться в одну стадию или несколько стадий. Один вариант осуществления изобретения схематически показан на фиг. 1А. Обсадная колонна 11 располагается в скважине 10 и имеет обычную стальную обсадную трубу 111 напротив покрывающей породы 121 или непроницаемого пласта и щеле

- 2 013439 вую обсадную трубу 112 с множеством щелей 113 напротив проницаемой зоны 122. В одном варианте осуществления настоящего изобретения множество щелей 113 может быть выполнено в направлении/ориентации, перпендикулярном относительно щелевой обсадной трубы 112. В других вариантах осуществления изобретения множество щелей 113 может располагаться в любом направлении/ориентации относительно щелевой обсадной трубы 112, и одна или несколько щелей могут в действительности иметь направление/ориентацию относительно щелевой обсадной трубы 112, различное с другими щелями из множества щелей 113. Состав текучей среды, содержащий цементный раствор, подходящий для условий в стволе скважины, закачивается с поверхности по обсадной колонне 11 для заполнения кольцевого пространства между обсадной колонной 11 и пластом 12, таким образом, формируя непроницаемую оболочку 13 вокруг скважины. Цементная пробка 131 может помещаться в последовательный ряд составов текучей среды между цементным раствором и текучими средами, остающимися в обсадной колонне. Технологический процесс оставляет ствол свободным для продолжения бурения, спуска инструментов или заполнения нефтью.

На фиг. 1В к цементу прилагается сила для его разрыва и создания трещины 132 в затвердевшем цементе 13 локально в зоне вокруг щелей 113. Подробности способов, подходящих для локализации разрывов внутри необходимой зоны, будут описаны ниже. Например, на фиг. 1С последовательный ряд составов текучих сред, содержащий обычный цементный раствор, за которым следует податливый герметик, за которым следует легко разрываемый цемент, закачивается по обсадной колонне 11. Последовательный ряд текучих сред (описанный более подробно ниже) помещается за обсадную колонну 11 в кольцевое пространство между обсадной колонной 11 и пластом 12. Таким образом, стандартный цемент 133 помещается над податливым герметиком 134, а легко разрываемый цемент 135 помещается в продуктивной зоне. Через некоторое время после твердения материалов за обсадной колонной 11 в цементе 135 и, в некоторых случаях, в пласте должны быть выполнены разрывы/расколы для обеспечения добычи текучих сред из пласта 122 коллектора через трещины 132, как показано на фиг. 1Ό. Податливая зона 134 предотвращает продвижение расколов 132 за цемент 135, примыкающий к продуктивному пласту 122. Подходящие для герметика материалы описываются ниже.

В этих вариантах осуществления изобретения (не показаны) свойства цемента 133 и 135 выбраны такими, что трещины останавливаются на стыке между двумя цементами, при этом не требуется промежуточной зоны материала герметика 134. Податливые и упругие цементы известны, например, под торговой маркой ΕΙοχδΤΟΝΕ (КТМ) фирмы Шлюмберже. В качестве альтернативы может быть возможным использовать один и тот же тип цемента в обеих зонах 133 и 135, предусмотрев, что герметик 134 предохраняет от распространения трещин 132. Подходящие для герметика материалы описываются ниже.

Следующие подробности описывают разнообразные способы приложения силы или давления для выполнения разрыва цемента в нужных местах ствола скважины.

Регулируемая нагрузка может быть приложена через обсадную колонну и/или герметизирующие пробки для обеспечения расколов в цементе посредством одного или нескольких элементов передачи сил или давления. Контактные элементы могут варьироваться по форме, числу и положению для оптимизации процесса. В одном варианте осуществления изобретения положение инструмента, прилагающего усилие, может изменяться в обсадной колонне, и процесс может повторяться или устройство может получить конфигурацию (вертикальной) решетки из таких элементов.

Вариант одного такого скважинного инструмента 24 показан на фиг. 2А и 2В. В этом варианте гидравлическое давление прикладывается к верху конического клина 242, смонтированного в несущей трубе 241. Альтернативно, клин может нагружаться механически посредством винтового механизма, приводимого в действие электрическим или гидравлическим двигателем (не показан). Клин, в свою очередь, передает усилие на обсадную колонну 21 с помощью шипов 243, которые подаются через несущую трубу 241. Положение и число шипов 243 может быть запроектировано, чтобы оптимизировать число выполнения разрывов 232 в цементе 23. Шипы могут также использоваться для прокола обсадной колонны 21. Когда используется обсадная колонна с закупоренными пробками щелями, подобная обсадной колонне 11 (фиг. 1), инструмент 24 может использоваться для проталкивания пробок, которые герметизируют отверстия в обсадной колонне во время ее установки и закачки цементов, как описывается ниже.

На фиг. 3 показаны дополнительные примеры способов и инструментов для выполнения локального разрыва цемента. На фиг. 3 обсадная колонна окружена затвердевшим цементом 33. Обсадная колонна имеет один или несколько острых выступов 311 на стороне цемента и имеет лунку 312 на внутренней стороне. Инструмент 34 для разрыва цемента включает в себя поршень 341, соединенный с насадкой 342, который выступает через инструмент через уплотнительное кольцо 343, предотвращающие засорение пружины 344 рассеянными материалами. Поршень 341 уплотняется уплотнительным кольцом 345 и может поджиматься к пружине 344 нефтью или водой под давлением, действующим на его торец. При срабатывании насадок 342 входит в лунку 312 и заставляет острый выступ 311 войти в цемент 33, создавая разрыв 332. Втягивание поршня 341 предотвращается клином или пружинным кольцевым замком 346. Затем инструмент 34 перемещается к следующему острому выступу/лунке обсадной колонны и повторяет операцию по требованию.

На фиг. 3В показана видоизмененная обсадная колонна, которая включает в себя перемещаемые

- 3 013439 элементы для выполнения локального разрыва цемента. Затвердевший цемент 33 упирается в обсадную колонну 31, содержащую одну или несколько полостей 311, каждая из которых содержит поршень 312, обычно удерживаемый прижатым к заднему упору 313 пружиной 314. Сборка удерживается в этом положении кольцевым замком 315. Обращенная к цементу сторона поршня 312 имеет острый выступ 316 и мягкий материал 317 пробки, который предотвращает проникание не затвердевшего цемента в область 311 поршня/пружины. После затвердевания цемента поршень толкается конической пробкой 351 (показана частично), размещенной в инструменте 35, под действием гидравлического давления. Любая другая имеющаяся в наличии сила, например полученная в результате передачи электроэнергии по проводам, или полученная гидравлически по гибкой насосно-компрессорной трубе, может предусматриваться, чтобы создавать усилие, чтобы толкать острый выступ 316 на цемент 33. Острый выступ 316 выполняет разрыв цемента. Текучие среды, добываемые через трещину, могут протекать либо через щели в обсадной колонне, такие как показанные на фиг. 1 выше, или с использованием полости 311 в обсадной колонне 31 через отверстие (не показано) в центре поршня 312 или через комбинацию обеих. Во всех случаях видоизмененная обсадная колонна может содержать острые выступы различной проникающей способности, представляющие возможность выбора размера, положения и числа выполнения разрывов. Эти острые выступы могут находиться в боковых отверстиях, содержащих смолу с возможностью растворения в нефти в качестве материала пробки.

В упрощенном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 3С, острый выступ 316 выступает из обсадной колонны 31 будучи частично или полностью вмонтированным в пробку 318 из эластомерного материала, который обеспечивает эластичный, но герметичный для текучей среды монтаж острого выступа.

В вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг. 3А-3С, острый выступ может удерживаться в нужном положении после выполнения первоначального разрыва цемента посредством фрикционного материала, или устройства, содержащего канавки (лунки) или посадочные места в поршне. Такие вариации на поверхности поршня представлены цифрой 319 (фиг. 3Ό). Могут предусматриваться и другие вариации, чтобы поместить острые выступы без втягивания, при поддержании напряжения.

В некоторых ситуациях эти острые выступы могут содержать датчики, которые осуществляют мониторинг притока, температуры и состава добываемой текучей среды.

Альтернативно, для обсадной колонны уменьшенной толщины может использоваться эластомер для автономного размещения вставки и предотвращения утечки цемента (фиг. 3В). Вставка, острый выступ или шип могут выступать в цемент на наружной стороне обсадной колонны до приложения нагрузки.

Другой альтернативой приложения регулируемого давления является использование взрывных устройств для увеличения гидравлического давления внутри обсадной колонны для разрыва цемента в кольцевом пространстве, или кумулятивных зарядов, создающих локальную ударную волну. В патенте США 3026936 раскрыто использование пуль для пробивки отверстий в обсадной колонне или дробления цемента, что не позволяет одинаково регулировать диапазон давлений и место приложения силы при сравнении со способами настоящего изобретения с операциями со взрывными зарядами без пуль. Взрывные устройства могут проникать или не проникать через обсадную колонну. В примере на фиг. 4 перфоратор 44 на гибкой насосно-компрессорной трубе показан спущенным в ствол скважины. Перфоратор несет множество взрывных зарядов. Взрывные заряды могут быть заключены в небольшие камеры 441 повышенного давления, которые открыты в текучую среду и эффективно соединяют ударную волну с обсадной колонной 41. Это создает мощный гидравлический удар по обсадной колонне, обеспечивающий дробление цемента 43.

Перфорирующие устройства (взрывчатые вещества) уже используются для пробивания отверстий в обсадной колонне и проникновения в пласт, увеличения добычи. Есть некоторые свидетельства дробления цемента, особенно около перфорированных отверстий и при использовании при высокой плотности. Перфораторы насосно-компрессорных труб, которые используют заряды для перфорации с очень малым проникновением, могут использоваться, чтобы только проникнуть через обсадную колонну.

Взрывчатые вещества могут заменяться ударником с электромагнитным приводом, развертываемым на инструменте, спускаемом на каротажном кабеле. Ударник размещается вплотную к обсадной колонне и приводится в действие для нанесения ударов по обсадной колонне, при этом ударные волны заставляют цемент раскалываться известным способом.

Контролируемая энергия колебания может также использоваться для раскалывания цемента. С использованием инструмента, спускаемого на каротажном кабеле, из небольшой муфты может выдвигаться кольцо и прижиматься к обсадной колонне. Вибрационное устройство с известной или оптимизированной частотой может затем возбуждать колебания в обсадной колонне с достаточной мощностью высокой частоты, чтобы вызвать радиальные расколы. Частота и амплитуда колебаний могут быть подобраны для глубины и окружающего давления и температуры, чтобы оптимизировать размер образуемых расколов. Акустический источник может иметь вторичный и полезный эффект уменьшения вязкости добываемой нефти.

Другой подход заключается в применении нагрева поверхности обсадной колонны для расширения

- 4 013439 цемента и раскола, при этом уменьшая вязкость углеводородной текучей среды. Например, локализованный нагрев с использованием излучения или индукции может развертываться для разрыва цемента в заданных зонах. В этом случае инструмент спускается на каротажном кабеле для подачи 9 кВт (и более высокие всплески) мощности. Эта мощность может преобразовываться в нагрев с фокусирующими насадками (способом, сходным с описанным выше для шипов). Тепловыделяющие элементы фокусируют тепловую энергию в цемент очень точно.

Другим решением является использование шпинделя, аналогичного тому, который используется для обсадной колонны с возможностью выдвижения. Шпиндель проходит с поверхности, таким образом, деформируя секцию обсадной колонны, как это необходимо. Форма шпинделя может быть подобрана для обеспечения постоянной деформации обсадной колонны, гарантируя не только создания разрывов, но и поддержание их открытыми. Деформация должна обеспечивать разрыв в цементе растяжением и сдвигом и увеличение плотности трещин, если необходимо. Также, может использоваться больше одного шпинделя для дополнительного расширения обсадной колонны и разрыва цемента, если требуется. В некоторых случаях шпиндель может содержать химикаты, способные менять поверхностные свойства по отдельности или всех вместе, обсадной колонны, цемента и фильтрационной корки.

Контролируемое расширение обсадной колонны также может быть достигнуто использованием гидравлического давления, приложенного внутри обсадной колонны.

В дополнение к этапам, описанным выше, могут использоваться электрические поля, гамма-лучи или рентгеновские лучи для ослабления цемента перед выполнением разрыва или после него.

Из этих возможных альтернатив источников усилия разрыва, некоторые, например гидравлическое давление, нагрев или другое средство расширения обсадной колонны, не имеют возможности легкого ограничения и способны привести к трещинам вне необходимых зон. В таких случаях распределение разрывов в цементе может быть локализовано и контролироваться микрогеометрией поверхности обсадной колонны 51, находящейся в контакте с затвердевшим цементом. Примеры нескольких конфигураций обсадной колонны, подходящих для таких целей, представлены на фиг. 5А-5С и включают ребра 511 с осевыми режущими кромками, ребра 512 с режущими кромками по периметру и остроконечные элементы 513 проникания соответственно. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения могут использоваться другие элементы передачи усилия или давления, включающие в себя канавку в обсадной колонне, видоизмененный центратор, без ограничения ими, и сочетания с любыми элементами описанными выше.

Если применяется обычная обсадная колонна, такая обсадная колонна перфорируется или прорезается после постановки и затвердевания цемента. Такое изменение обсадной колонны могло бы потребовать использования инструмента перфорации, такого как описанный выше инструмент для сверления обсадной колонны или резки струей воды под давлением. Водоструйный резак может держаться близко к поверхности обсадной колонны с помощью магнитных рычагов и вращаться для контакта с различными положениями на обсадной колонне. Диаметр сопла и скорость смещения могут использоваться, чтобы контролировать ширину щели. Водоструйный резак может оборудоваться внутрискважинным насосом и гусеничным шасси, перемещаемыми на каротажном кабеле. В другой вариации этого подхода может быть возможным увеличить имеющуюся в наличии мощность закачиванием флюида вниз по гибкой насосно-компрессорной трубе, чтобы питать внутрискважинный насос.

Однако является предпочтительным, чтобы обсадная колонна была видоизменена для осуществления заканчивания, согласно настоящему изобретению, как части процесса цементирования после постановки обсадной колонны.

Поскольку любой из вышеупомянутых вариантов выигрывает от использования обсадной колонны, такой какая показана на фиг. 1, имеющей щели или фрезерованные слабые места или отверстия сетчатого типа, которые имеют крышки, закупорены пробками или прорезаны на толщину меньше, чем толщина обсадной колонны, чтобы держать минимальный перепад давления. Крышка или пробка может разрушиться или быть пробитой, когда приводится в действие сила разрыва. Альтернативно крышка или пробка растворяются текучими средами, которые могут либо закачиваться с поверхности или поступать из пласта. Вариант такой обсадной колонны или фильтра показан на фиг. 6.

На фиг. 6 нижняя половина обсадной трубы 61 имеет множество отверстий 613, заполненных пробками 614 при установке колонны и закачки цемента, как показано на увеличенном изображении.

Материалом пробки может быть смола, растворимая в нефти, хрупкий материал или материал с высоким тепловым расширением.

Такие пробки могут трескаться или расплавляться во время гидратации цемента или раствориться при контакте с нефтью или водой. Альтернативно они могут расплавиться или разрушиться при расширении обсадной колонны или быть вытащенными со своего места инструментом, который спускается в ствол после схватывания цемента, но до его затвердения.

В общем, отверстия в обсадной колонне или фильтре должны предпочтительно иметь ширину, меньшую, чем частицы в цементе, в котором выполнен разрыв (как дополнительная защита от полного разрушения и выноса песка), предпочтительно максимально в 2,5 раза большую диаметра частиц песка в пласте. Остающиеся фрагменты цемента по возможности должны быть больше, чем эти частицы (веро

- 5 013439 ятный диапазон 0,3-1 мм) и не будут тогда выноситься через обсадную колонну или фильтр. Фильтр или обсадная колонна имеет проницаемость больше, чем цемент, в котором выполнен разрыв, но может иметь области, которые остаются неперфорированными, чтобы предотвратить обрушение и исключить необходимость дополнительной круговых (кольцевых) опор в стволе скважины. Эти области без отверстий могут содержать множество поверхностей, имеющих форму конуса или клина, как описано в примере выше.

Хотя обычная обсадная колонна выполняется из стали, могут использоваться другие металлические и/или неметаллические (например, из полимерных и композитных материалов) обсадные колонны для настоящего практического применения.

Схематичное изображение альтернативной обсадной колонны представлено на фиг. 7. В данном варианте проволочная сетка 711 прикреплена снаружи перфорированной или щелевой обсадной колонны 71. Сетка покрыта снаружи полимером 712, растворимым в нефти или воде, что предоставляет возможность поместить цемент 73 в виде суспензии во время цементирования после установки обсадной колонны снаружи обсадной колонны. Когда нефть или вода пройдет через отверстия/щели 713 в фильтр, она достигнет полимерного покрытия и растворит его. Давление, которое должно уменьшить требуемое усилие разрыва, прикладывается к цементу через отверстия в фильтре.

Альтернативно покрытие 712 должно быть изменено высоким рН (»13) окружающего цемента и разорваться, когда в стволе скважины прикладывается повышенное давление. Эти варианты фильтра обеспечивают возможности цементирования после постановки обсадной колонны, уменьшенного давления разрушения цемента, увеличенной проницаемости (связанности) за фильтром и максимизируют эффект от действия напряжений усадочной деформации в цементе.

Что касается необходимых и предпочтительных свойств материала цемента для использования в настоящем изобретении, важными свойствами цемента являются его усадочная деформация, прочность на сжатие, упругие свойства и гидравлическая проницаемость. Эти свойства должны определять свойства цемента и способ выполнения разрыва в нем.

Только в виде примера, наблюдалась усадочная деформация (после гелеобразования) стандартного цементного раствора класса С с итоговым растяжением на обсадной колонне 0,01%. Лабораторный эксперимент, показывающий это, проводился в отсутствие излишней воды, и результатом было создание тангенциального растягивающего напряжения и разрывов от растяжения, развивающихся снаружи к обсадной колонне. В то время как упомянутый анализ рассматривал цементный раствор класса С, варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются использованием таких цементов и могут использоваться с другими цементами, цементными растворами, смесями, подобными цементу, или т.п. Максимизация усадочной деформации цементного раствора при уменьшении растягивающего усилия может привести к естественным разрывам в цементе. После закачки цемента температура на забое скважины должна подняться (иногда на величину до 20°С), увеличивая тангенциальное растягивающее напряжение в цементе.

Осуществлялось моделирование программного обеспечения с использованием введения стандартного цементного раствора и песчаника в качестве пласта и 7 дюймовой (178 мм) обсадной колонны. Затвердевший цемент имел модуль Юнга Е 5 гПа и прочность на растяжение 3 мПа и разрушался при растяжении, если обсадная колонна расширялась на 0,13%. Напряжение, требуемое для разрыва цемента, может быть также изменено, предпочтительно уменьшено, присутствием слоя глинистой корки между пластом и цементом, присутствием промежутка микроскопического кольцевого пространства между пластом и цементом или несцементированного пласта. Такой промежуток может быть вызван значительной усадочной деформацией цемента во время затвердевания.

Если использовать модель аппроксимирования для свободно стоящей 7 дюймовой обсадной колонны в виде тонкостенного цилиндра, такое расширение может потребовать перепада давления около 15 мПа. С использованием моделирования программного обеспечения, и предусматривая растяжение в цементе и породе, увеличение давления в 37 мПа может потребоваться для разрушения при растяжении и более высокие напряжения для объединенного растягивающего тангенциального напряжения и сжимающего радиального напряжения. Замена модуля Юнга Е и коэффициента поперечной деформации Пуассона ν видоизмененной обсадной колонны на величины, при которых сокращается потребное давление для цемента до приблизительно 15 мПа, и замена стали на неметаллический материал (например, пластик) (Е=200 мПа, ν=0,45) сокращает давление в стволе скважины, требуемое для выполнения разрыва до приблизительно 13 мПа.

Для этой технологии заканчивания не требуется нежесткий цемент. Вместо этого предпочтительным является хрупкий материал с наиболее низкой прочностью на растяжение. Однако в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения может использоваться не жесткий цемент. В некоторых ситуациях разрыв в пласте должен выполняться во время выполнения разрыва в затвердевшем цементе, обеспечивая возможность обойти внутреннюю или наружную фильтрационную корку, образующую дополнительный слой между цементом и пластом.

Важным фактором является разработка материала на основе цемента, в котором могут создаваться

- 6 013439 многочисленные радиальные трещины и создаваться микрорасколы при ограничении извилистости разрывов. Таким материалом может являться обычный цементный раствор, т.е. цемент и вода, смешанные с другими добавками или без них. Альтернативно, это может быть проницаемый цемент, который может быть восстановлен выполнением повторного разрыва. После выполнения разрыва величина проницаемости значительно превышает исходные значения проницаемости. Цемент может также вибрироваться звуковым излучателем для удаления мусора из разрывов. Составы могут обеспечить вариации в диапазоне плотности и добавлении добавок, снижающих водоотдачу. Обводнение свободной водой может быть минимизировано или максимизировано в зависимости от ориентации скважины. Водоцементное отношение должно варьироваться в пределах 0,2-0,6, и другие добавки должны использоваться для изменения реакции напряжений. В составы, что касается обычных систем, может включаться диспергатор, замедлитель и антипенный агент. Подходы для максимизации распределения разрывов могут быть следующими:

не связывающиеся частицы с гидрофобным или с растворяемым нефтью покрытием;

добавка заполнителя;

волокна или пластинки для распространения разрывов и обеспечения растворимости; соединение капель эмульсии под действием реагента;

частицы, набухающие под воздействием нефти для создания разрывов осмотическим набуханием; максимизированная усадка.

В некоторых вариациях вышеприведенного перечня гидрофобные частицы или полимер могут добавляться в матрицу для сокращения воздействия добычи воды на цементную матрицу, такого как расслаивание или растворение матрицы.

В нефтяной индустрии частицы добавляются в цемент для изменения плотности и улучшения прочности и гибкости. Эти частицы могут иметь минеральную или полимерную основу. Частицы могут иметь любую форму от волокон и пластинок до сфер. Может применяться сложная геометрия.

Заполнители меняют распределение напряжений в цементной матрице и также структуру затвердевшего цемента на стыке. Изменение направления разрыва на стыке заполнитель-цемент может привести к повышенной проницаемости, особенно, если частицы были сдвинуты с места во время добычи нефти. Частицы заполнителя могут иметь диаметр до 1 мм. Эти заполнители могут быть минералами из ила, глины, гранита, пирекса, зольной пыли, дробленого бетона, дерева или углеродной сажи. Эти частицы могут добавляться, чтобы повысить хрупкость цемента.

Альтернативно, при температуре выполнению разрыва композита на основе цемента может способствовать различие коэффициентов теплового расширения между цементом и заполнителем, понижение парового давления, приводящее к увеличенному действующему напряжению, и при повышенных температурах - разложение гидратов. Выполнение разрыва цемента без наполнителя может быть также осуществлено, если некоторый процент цемента остается негидратированным. Тогда разрывы могут создаваться через силикагель, кристаллы гидроксида кальция и вокруг негидратированных частиц цемента.

В альтернативном составе могут добавляться не связывающиеся частицы с оболочками, растворяемыми в нефти. Эта оболочка может быть результатом добавления в исходный состав асфальтена и/или акриловой эмульсии.

Разрываемый цемент может состоят из капелек нефти, портландцемента, эмульгатора, замедлителя схватывания цемента и воды. Плотность состава может при необходимости регулироваться. Поверхностно-активное вещество может быть нестабильным при высоком рН и температуре, в результате чего может произойти соединение капель эмульсии. Во время процесса фрагментации фрагменты цементной матрицы и заполненные нефтью поры соединяются. Эти олеофильные поры заполняются нефтью из коллектора и поверхностные оболочки могут предотвратить выпадение кальцита в случае добычи воды.

Частицы дерева, полимера, глины, полипропилена, резины и гидрогеля могут быть выбраны для создания разрыва большого объема так, чтобы напряжения от набухания при контакте с нефтью способствовали выполнению разрыва остающейся цементной матрицы.

Цемент дает усадку при затвердевании, поскольку объемные фракции продуктов реакции являются меньшими, чем у реагирующих веществ. После гелеобразования отсутствие избыточной воды может дополнительно увеличить усадку цемента. Отбор воды из проницаемого пласта может быть предотвращен добавлением в цементный раствор агентов, снижающих проницаемость. Такая усадка может привести к раскалыванию в радиальной геометрии. Эта усадка может быть максимизирована увеличением концентрации алюминатных фаз в цементе или изменением водоцементного отношения. Альтернативно, могут добавляться расширяющие агенты, такие как оксиды кальция и магния, чтобы дополнительно повысить напряжение в цементной матрице.

Концепция проницаемого цемента для освоения коллекторов не является новой для нефтяной индустрии. Эти материалы содержат пену, капельки нефти или частицы с возможностью разрушения. Эти материалы могут образовывать основу специального цемента для этого приложения.

Герметик 134, показанный на фиг. 1С и 1Ό, предотвращает распространение трещин вверх по потоку и/или вниз по потоку за кольцевым пространством или обеспечивает герметизирующее уплотнение, работающее под давлением. Этим материалом может быть модифицированный цемент или органический

- 7 013439 материал. Подходящие материалы для такого уплотнения описаны в патентной заявке Великобритании № 2398582. Материал является затвердевающим гибким материалом и имеет модуль Юнга примерно 1000 мПа или ниже. Материал может подвергаться давлению и набухать при контакте с нефтью.

Если выполнение разрыва цемента требует слоя фильтрационной корки между цементом и пластом, можно видоизменить существующие буровые растворы и/или способы удаления фильтрационной корки для обеспечения такого слоя. Однако в других случаях, присутствие фильтрационной корки может сократить приток через цемент, в котором выполнен разрыв, и, значит, полное удаление фильтрационной корки может быть обоснованным.

При обычном горизонтальном цементировании может потребоваться поместить центраторы через 6-метровые интервалы для достижения рекомендованной АНИ степени центрирования по меньшей мере 67% и обеспечения надлежащей закачки цемента. Для этих приложений предпочтительной является центрированная обсадная колонна. Вместе с тем, степень центрирования не является критичной, поскольку совершенная очистка ствола не является необходимой. Центраторы могут быть дополнительно разнесены на расстоянии более чем 6 м и могут быть использованы ролики уменьшения трения или специализированные скребки удаления фильтрационной корки. Альтернативно, центраторы могут быть помещены так, чтобы обеспечить турбулентную закачку цемента для обеспечения удаления фильтрационной корки.

Фильтрационная корка бурового раствора образуется снаружи породы коллектора и, если проницаемость пород превышает приблизительно 50 миллиДарси (мД), полимеры (ксантан, крахмал, склероглюкан) из бурового раствора могли бы проникать в породу. Такое проникновение ведет к пониженной добыче. Невозможно осуществить какую-либо работу по очистке после закачки цемента. Одним предложением является бурение продуктивной зоны на депрессии, сокращая проникновение и, таким образом, создание фильтрационной корки. Альтернативно, усадка цемента при затвердевании может оставить фильтрационную корку без опоры с давлением между коркой и цементом. Добываемая нефть может взломать и, возможно, вытеснить внутренние твердые частицы. Есть также возможность видоизменить фильтрационную корку во время расширения цемента. В другом варианте фильтрационная корка может быть заключена в цемент во время разрыва и смещена с использованием устройства акустической очистки.

Альтернативно, текучая среда, имеющая разжижитель на основе каталитических ферментов, может закачиваться через цемент. Альтернативно, фильтрационная корка может быть частично удалена прохождением цементирующей текучей среды. Проникновение фильтрата цемента в пласт может быть предотвращено добавлением агентов для понижения водоотдачи во все составы на основе цемента. В такой ситуации использование акустической аппаратуры для очистки разрывов в цементе и сдвигания внутренней фильтрационной корки является возможным. Разрываемый цемент, включающий добавки для понижения водоотдачи, может ограничить проникновение твердых частиц цемента в пласт.

Проницаемость трещин, создаваемая согласно любому способу, описанному выше, может быть улучшена или восстановлена с использованием кислотной обработки. Оптимизированные растворы кислоты могут залавливаться в цемент, в котором выполнен разрыв для очистки, или использоваться, чтобы повысить проницаемость цемента перед выполнением дополнительного разрыва. Такие кислоты, например смесь 12% НС1/3% НЕ, могут покрыть пятнами поверхность обсадной колонны. Кислота может также содержать уксусную, муравьиную или лимонную кислоты или их смеси.

Альтернативно, материалы, такие какие используются для обработки пласта под давлением, могут использоваться для блокировки нежелательных или больших трещины в цементе. Материал может быть на основе цемента или на органической основе, или комбинацией того и другого. Материал может закачиваться при добыче воды или в исключительных условиях, когда через фильтр выносится песок. Такие восстановительные мероприятия предоставляют возможность полного контроля и продолжения бурения, если необходимо.

Текучие среды для восстановительных работ могут направляться внутрь скважины по гибкой насосно-компрессорной трубе или могут прилагаться на обсадную колонну внутри острого выступа или шипа (как описано выше), используемых для выполнения разрыва.

Объем настоящего изобретения может быть расширен для использования в нем инструментов с гравийным фильтром для восстановления обсаженных стволов или гравийных фильтров с набивкой, выполненной заранее. Варианты настоящего изобретения могут включать в себя этапы помещения слоя затвердевающего материала внутри перфорированной обсадной колонны и использования любого из описанных выше способов для разрыва твердотельных блоков или оболочек из затвердевающего материала и, следовательно, преобразования их в функциональные эквиваленты обычным пакерам для создания гравийного фильтра. Закачка и разрыв цемента в этом случае могут потребовать использования технологии пакеров для изоляции секции скважины, в которые надлежит поместить гравийный фильтр.

Гравийные фильтры обычно имеют проницаемость 40-50 Д. Эта проницаемость значительно превышает обычную проницаемость пласта, обеспечивая уменьшение проницаемости набивки во время срока службы, вследствие частичной блокировки такими частицами, как выносимый песок или остатки фильтрационной корки. В простой модели линейных разрывов с постоянной шириной в цементе, который соединяет обсадную колонну с пластом, проницаемость для радиального притока вычисляется по

- 8 013439 формуле к=е^²/12, где ν является шириной разрыва, а ε является пористостью разрыва, т.е. е=(объем линейного разрыва):(полный объем цемента). Размеры частиц выносимого песка обычно составляют 0,15 мм, так что ширина разрыва цемента оптимально должна быть примерно 0,1 мм, хотя разрывы большей ширины могут быть допустимыми, если известно, что выносимый песок крупнее. Взяв ширину раскола ν=0,2 мм и обычную пористость раскола 0,01, получим к=30х10^-12щ², или примерно 30 Д, что близко к проницаемости обычного гравийного фильтра. Пористость раскола может приниматься с учетом уровней усадки цемента в стволе скважины, составляющей 0,5% и более. Она подвергается такому же уменьшению со временем из-за закупоривания частицами, как описано выше для гравийных фильтров. Следовательно, цементная оболочка или блоки при их помещении в обсаженном стволе скважины и расколе или разрыве с использованием упомянутых выше способов могут заменить обычные пакеры для создания гравийного фильтра в заканчивании скважины. Одним из преимуществ такого нового пакера для создания гравийного фильтра является возможность первоначального помещения его в скважине в виде раствора, при этом он может подвергаться последующей обработке для восстановления (или вторичному разрыву), когда блокируется, как описано выше.

Блок-схема фиг. 8 показывает несколько этапов согласно варианту настоящего изобретения, включающих этап 81 локального разрыва цемента за обсадной трубой скважины, этап 82 удерживания слоя такого разорванного цемента в качестве песчаного фильтра и этап 83 добычи текучих сред из скважины через фильтр и (необязательно заранее образованные, но первоначально заблокированные) отверстия в обсадной трубе. Как указано выше, на этапе 82 в дополнении к действию в качестве песчаного фильтра, локализованные разрывы, выполненные в цементной обсадке, могут использоваться для регулирования притока текучих сред в ствол скважины и их оттока из ствола скважины. Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения могут создать альтернативу локализованной перфорации ствола скважины, обеспечивающий закачку текучих сред в зоны закачки и/или контроль притока текучих сред в ствол скважины из коллектора.

Claims (23)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ создания движения текучих сред в скважине между пластом и обсадной колонной, содержащий этапы закачки последовательного ряда текучих сред, содержащих затвердевающий материал, в кольцевое пространство между обсадной колонной и пластом и разрыв затвердевающего материала после затвердевания, таким образом, обеспечивая движения текучих сред через отверстия в обсадной колонне, при этом разорванный материал блокирует проход пластового песка и других твердых частиц, отличающийся тем, что последовательный ряд текучих сред содержит по меньшей мере два различных материала так, что после затвердевания материал, расположенный между обсадной колонной и пластом, содержит зоны уменьшенной возможности разрыва, ограничивающие разрыв затвердевшего материала.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что местоположение разрывов в затвердевающем материале обеспечивает регулирование притока пластовых текучих сред в скважину.
3. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что управление притоком пластовых текучих сред в скважину осуществляется без перфорации скважины.
4. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что разрывы в затвердевающем материале располагаются в соответствии с одной или несколькими зонами добычи.
5. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что местоположение разрывов в затвердевающем материале обеспечивает регулирование притока введенных текучих сред из скважины в пласт.
6. 6. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что для разрыва затвердевающего материала прилагают локализованную силу или давление.
7. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что для разрыва затвердевающего материала прилагают локализованную деформацию к обсадной колонне, примыкающей к разрываемому материалу.
8. 8. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что для разрыва затвердевающего материала прилагают локализованные ударные волны к обсадной колонне, примыкающей к разрываемому материалу.
9. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что локализованные ударные волны создаются подрывом зарядов взрывчатого вещества.
10. 10. Способ по п.8, отличающийся тем, что локализованные ударные волны создаются подрывом кумулятивных зарядов взрывчатого вещества без снарядов.
11. 11. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что местоположение трещин определяется использованием элементов, локализующих силу или давление, действующие на обсадную колонну.
12. 12. Способ по п.11, отличающийся тем, что элементы, локализующие силу или давление, являются отверстиями в обсадной колонне или выступающими элементами внутри или на наружной поверхности обсадной колонны.
13. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что выступающие элементы включают в себя остроконечные элементы или элементы в виде режущих кромок.
14. 14. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что местоположение разрывов трещин опреде

    - 9 013439 ляется с использованием элементов, локализующих нагрев или радиоактивное облучение, действующие на обсадную колонну.
15. 15. Способ по одному из пп.1-14, отличающийся тем, что последовательный ряд текучих сред содержит по меньшей мере один затвердевающий материал и податливый герметик, и после затвердевания податливый герметик ограничивает распространение разрывов.
16. 16. Способ по одному из пп.1-14, отличающийся тем, что последовательный ряд текучих сред содержит по меньшей мере два различных затвердевающих материала.
17. 17. Способ по п.16, отличающийся тем, что один из затвердевающих материалов является более упругим, чем другой.
18. 18. Способ по п.16, отличающийся тем, что один из затвердевающих материалов включает в себя добавки, способствующие образованию разрывов или расколов.
19. 19. Способ по одному из пп.1-18, отличающийся тем, что последовательный ряд текучих сред содержит по меньшей мере один затвердевающий цементный материал.
20. 20. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что движение текучих сред улучшается с использованием затвердевающего материала, являющегося проницаемым после затвердевания.
21. 21. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что движение текучих сред улучшается с использованием кислотной обработки.
22. 22. Способ по одному из пп.1-21, отличающийся тем, что выполняется во время первичного цементирования после размещения обсадной колонны, но до первоначальной добычи.
23. 23. Способ по п.1, отличающийся тем, что выполняется как восстановительная обработка после начала добычи.