EA029922B1

EA029922B1 - Способ и устройство для тестирования материалов для борьбы с поглощением в подземных формациях

Info

Publication number: EA029922B1
Application number: EA201491355A
Authority: EA
Inventors: Роберт Дж. Мёрфи; Дейл Е. Джемисон; Мэттью Л. Миллер
Original assignee: Халлибертон Энерджи Сервисез, Инк.
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2018-05-31
Also published as: WO2013116012A1; NO2825726T3; CA2862293C; US10584582B2; EP2810062A1; AU2013215590A1; US20130192358A1; AU2013215590B2; BR112014018729A2; BR112014018729A8; US20160130939A1; US10180063B2; US20190112922A1; US9285355B2; MX349925B; EP2810062B1; CA2862293A1; MX2014009216A; EA201491355A1

Abstract

Раскрыто устройство испытания материалов для борьбы с поглощениями (LCM-материалов). Указанное устройство содержит ячейку (200) для испытания под высоким давлением, имеющую компоненты имитационного моделирования формации, такие как пластины (210) со щелями или отверстиями. Указанное устройство может содержать несколько таких пластин (210), расположенных друг над другом и обособленных друг от друга разделителями (208).

Description

изобретение относится к способам и устройствам испытания материалов для борьбы с поглощениями (ЬСМ, от англ. 1θ8ΐ С1гси1айои та1спа1. здесь и далее называемых ЬСМматериалами) в подземных формациях.

Предшествующий уровень техники

В операциях подземного бурения буровые растворы обычно используют для обеспечения гидростатического давления с целью предотвращения поступления пластовых флюидов в скважину, охлаждения бурового долота и выполнения очистки в процессе бурения, выноса бурового шлама, сдерживания бурового шлама при прерывании бурения, а также при спуске бурильной компоновки в скважину и при подъеме буровой компоновки из скважины. При бурении некоторых формаций некоторая часть бурового раствора может просачиваться в формацию и захватываться ею. Это представляет проблему, в частности при бурении кавернозных формаций, содержащих множество полостей, называемых кавернами. При поглощении формацией значительного количества бурового раствора для поддержания требуемой производительности бурения необходимо ввести в скважину дополнительное количество бурового раствора. При поглощении большого количества бурового раствора это может стать дорогостоящим мероприятием.

Для предотвращения поглощения бурового раствора в кавернозных формациях в него могут добавлять ЬСМ-материалы. ЬСМ-материалы обычно являются волокнистыми (например, кедровая кора, измельченные стебли сахарного тростника, минеральное волокно или минеральные волоски), хлопьевидными (например, листочки слюды и частицы пластмассовой и целлофановой пленки) или гранулированными (например, размельченный и сортированный известняк или мрамор, измельченная древесина, измельченная ореховая скорлупа, измельченный бумажно-слоистый пластик Роттюа, измельченные кукурузные початки и хлопковая шелуха). В некоторых других случаях ЬСМ-материалы могут содержать реагенты, застывающие и затвердевающие в кавернах. ЬСМ-материалы должны закупоривать каверны и тем самым предотвращать захват порций бурового раствора. Следует отметить, что проведение проверки эффективности ЬСМ-материалов применительно к конкретной формации вызывает затруднения. Например, для существующих методик испытаний обычно не характерна повторяемость, что затрудняет сравнение относительной эффективности двух ЬСМ-материалов применительно к одной и той же формации. Кроме того, существующие методики испытаний не дают возможности моделирования каверн, размеры которых изменяются в широком диапазоне, в частности крупных каверн, что необходимо для имитационного моделирования кавернозных формаций. Таким образом, актуальна задача создания устройства для проведения масштабируемых испытаний ЬСМ-материалов в кавернозных формациях, характеризующихся повторяемостью.

Перечень чертежей

Конкретные варианты осуществления изобретения могут рассматриваться со ссылками, отчасти, на нижеприведенное описание и прилагаемые чертежи.

на фиг. 1 показан пример системы испытания ЬСМ-материалов в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

на фиг. 2а-2д - пример ячейки для испытания ЬСМ-материалов (здесь и далее называемой ЬСМячейкой) и примеры компонентов имитационного моделирования формации в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

на фиг. 3 - траектория потока, протекающего через приведенную для примера ЬСМ-ячейку, в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

на фиг. 4 - пример ЬСМ-ячейки в соответствии с аспектами настоящего изобретения; на фиг. 5 - пример ЬСМ-ячейки в соответствии с аспектами настоящего изобретения; на фиг. 6 - пример ЬСМ-ячейки в соответствии с аспектами настоящего изобретения; на фиг. 7 - пример ЬСМ-ячейки в соответствии с аспектами настоящего изобретения; на фиг. 8 - пример ЬСМ-ячейки в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

Варианты осуществления настоящего изобретения проиллюстрированы и описаны со ссылками на

приведенные для примера варианты его осуществления, однако эти ссылки не накладывают ограничений на настоящее изобретение и не являются основанием для выводов о такого рода ограничениях. Специалисту в соответствующей области техники, извлекающему пользу из настоящего изобретения, будет понятно, что раскрытый предмет изобретения может быть значительно изменен, переделан, и в отношении этого предмета можно использовать эквиваленты по форме и функции. Проиллюстрированные и описанные варианты осуществления настоящего изобретения приведены исключительно в качестве примеров и никоим образом не ограничивают объем настоящего изобретения.

- 1 029922

Сущность изобретения

Настоящее изобретение в целом относится к имитационному моделированию характеристик подземной формации в скважине, и, в частности, настоящее изобретение относится к способам и устройствам испытания материалов для борьбы с поглощениями в подземных формациях.

Ниже дано подробное описание приведенных для примера вариантов осуществления настоящего изобретения. Для большей ясности в данном описании могут быть приведены не все особенности фактического применения. Безусловно, будет понятно, что при разработке любого такого варианта осуществления изобретения на практике для достижения целей изобретения может быть принято множество разнообразных технических решений, обусловленных конкретным способом реализации того или иного варианта осуществления изобретения. Кроме того, понятно, что такая проектно-конструкторская работа может быть сложной и может занимать много времени, однако при этом для специалистов, извлекающих пользу из настоящего изобретения, она, тем не менее, не выходит за рамки обычной практики.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Для лучшего понимания сути настоящего изобретения ниже приведены примеры конкретных вариантов его осуществления. Эти примеры никоим образом не ограничивают и не определяют объем изобретения. Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть применены в скважинах, расположенных в любых подземных формациях и имеющих горизонтальные, вертикальные, наклоннонаправленные стволы, а также стволы любой другой нелинейной конфигурации.

Варианты осуществления изобретения могут быть применены в нагнетательных скважинах, а также в добывающих скважинах, в том числе в скважинах по добыче углеводородов.

На фиг. 1 показан пример системы 100 испытания ЬСМ-материалов в соответствии с аспектами настоящего изобретения. Система 100 испытания ЬСМ-материалов содержит работающий под давлением резервуар, такой как ячейка 114 устройства измерения закупоривающей способности частиц (РРА, от англ. регшеаЪПйу р1иддшд аррага1и8, здесь и далее называемая РРА-ячейкой), которая может быть заключена в нагревательную рубашку 110. Нагревательная рубашка 110 может нагревать компоненты РРАячейки 114 до заданной температуры. РРА-ячейка 114 может содержать смесь с ЬСМ-материалами (здесь и далее называемую ЬСМ-смесью), включающую образец бурового раствора, смешанного с ЬСМматериалами. В некоторых вариантах осуществления изобретения РРА-ячейка 114 может содержать свободный поршень, отделяющий ЬСМ-смесь от напорного флюида, который может представлять собой жидкость или газ. В РРА-ячейке 114 могут увеличивать давление посредством стандартного гидравлического насоса высокого давления с ручным управлением (не показан). В некоторых других вариантах осуществления изобретения давление в РРА-ячейке 114 могут увеличивать посредством автоматического механизма с пневматическим, гидравлическим или механическим приводом.

РРА-ячейка 114 может быть соединена с ЬСМ-ячейкой 106 через трубу 112. В некоторых случаях между трубой 112 и РРА-ячейкой 114 может быть установлен клапан (не показан) для регулирования потока. Соединение РРА-ячейки 114 с ЬСМ-ячейкой посредством трубы 112 может быть удобным для установки такого клапана, однако не является обязательным. В некоторых вариантах осуществления изобретения РРА-ячейка 114 и ЬСМ-ячейка 106 могут быть объединены в один блок. Труба 112 может представлять собой известную трубу высокого давления любого типа. Как подробнее описано ниже, внутренний диаметр трубы 112 может быть больше диаметра моделируемой каверны в ЬСМ-ячейке 106. ЬСМ-ячейка 106 может, по меньшей мере, частично находиться в нагревательной рубашке 108, которая может представлять собой, например нагревательную рубашку, работающую при высокой температуре и под высоким давлением (НРНТ, от англ. Ιιίβΐι ргеккиге, Шдй 1ешрега1иге). Нагревательная рубашка 108 может быть прикреплена к земле через выравнивающую по горизонтали прокладку 116 и может нагревать ЬСМ-ячейку 106 до заданной температуры.

ЬСМ-ячейка 106 может быть соединена с приемником 102 ЬСМ-материалов (здесь и далее называемым ЬСМ-приемником) через клапан 104 в сборе. В некоторых вариантах осуществления изобретения ЬСМ-приемник 102 может представлять собой приемник фильтр-пресса НРНТ. РРА-ячейка 114, труба 112, ЬСМ-ячейка 106 и ЬСМ-приемник 102 могут находиться в гидравлическом сообщении и характеризоваться сходным внутренним давлением. Как описано ниже, клапан 104 в сборе может быть соединен с ЬСМ-ячейкой посредством, например, резьбы, выполненной в отверстии, сформированном в колпачке ЬСМ-ячейки. В некоторых вариантах осуществления изобретения ЬСМ-приемник 102 может быть соединен с ЬСМ-ячейкой 106 напрямую, без использования промежуточного клапана 104. В некоторых вариантах осуществления изобретения для обеспечения пластового давления/противодавления в ЬСМприемнике 102 могут использовать газ, нагнетаемый под давлением обычно порядка 100-200 фунтов на квадратный дюйм избыточного давления. Газ под давлением может имитировать давление пластового флюида и предотвращать закипание флюидов в ЬСМ-ячейке 106 при высоких уровнях температуры в процессе испытания.

При работе клапан 104 в сборе, ЬСМ-ячейку 106 и трубу 112 могут предварительно наполнять флюидом, подходящим для имитации пластовых флюидов. В свете настоящего изобретения такие флюиды известны специалистам. РРА-ячейку 114 могут предварительно наполнять испытываемой ЬСМсмесью. ЬСМ-смесь может содержать ЬСМ-материал определенного типа, имеющий заданную концен- 2 029922

трацию и распределение размеров частиц. Нагревательные рубашки 108 и 110 могут быть установлены на одинаковую температуру для испытания. В некоторых вариантах осуществления изобретения температура может соответствовать температуре в скважине, в которой планируется применение ЬСМматериала. Затем на ЬСМ-смесь в РРА-ячейке 114 могут оказывать давление, под действием которого ЬСМ-смесь нагнетают в трубу 112 и ЬСМ-ячейку 106. ЬСМ-материалы затем могут закупоривать имитируемые каверны в ЬСМ-ячейке 106, прикладывая противодавление к РРА-ячейке 114. Эффективность закупоривания ЬСМ-материалом имитируемых каверн в ЬСМ-ячейке 106 могут измерять, например по количеству флюида, содержащегося в ЬСМ-приемнике; по значению давления, которое может выдерживать закупоренный участок под действием потока, протекающего в обоих направлениях; и по степени герметичности закупоренного участка при приложении давления в обоих направлениях в течение продолжительного времени при температуре испытания. В некоторых вариантах осуществления изобретения эффективность закупоривания ЬСМ-материалом имитируемых каверн в ЬСМ-ячейке 106 также могут измерять путем разборки ЬСМ-ячейки после проведения испытания для анализа образовавшейся пробки и определения ее местоположения и состава.

На фиг. 2а показан пример ЬСМ-ячейки 200 в соответствии с аспектами настоящего изобретения. ЬСМ-ячейка 200 может быть встроена в систему испытания ЬСМ-материалов, такую как система испытания ЬСМ-материалов, показанная на фиг. 1. Например, ЬСМ-ячейка 200 может быть состыкована с РРА-ячейкой трубой через соединитель 216, сцепленный резьбой с отверстием 218 для подачи ЬСМсмеси, расположенным у дна корпуса 214 ЬСМ-ячейки. В некоторых вариантах осуществления изобретения действующий внутренний диаметр отверстия 218 для подачи ЬСМ-смеси может составлять 1/2 дюйма. На чертеже показано, что соединитель 216 сцеплен с отверстием 218 для подачи ЬСМ-смеси резьбой, однако возможно использование других средств сцепления, рассчитанных на давление, создаваемое в РРА-ячейке.

Специалистам понятно, что в свете настоящего изобретения ЬСМ-ячейку могут использовать для имитационного моделирования множества подземных формаций. Хотя в приведенном ниже описании основной акцент сделан на имитационное моделирование кавернозных формаций, раскрываемый способ может быть использован для имитационного моделирования формаций другого типа и их характеристик. Например, как описано ниже, ЬСМ-ячейке могут придавать конфигурацию, предназначенную для имитационного моделирования поглощений не в кавернах, а в трещинах и порах. Соответственно, конфигурация ЬСМ-ячейки, позволяющая проводить имитационное моделирование кавернозной формации, не должна рассматриваться как ограничивающая.

Корпус 214 ЬСМ-ячейки в общем случае может иметь цилиндрическую форму и может образовывать в общем случае цилиндрическую полость 220, сужающуюся у одного конца. Внутренняя полость 220 может быть открытой у верхнего конца корпуса 214. В некоторых вариантах осуществления изобретения диаметр цилиндрической части внутренней полости 220 может составлять 2 дюйма с сужением до 1/2 дюйма у отверстия 218 для подачи ЬСМ-смеси. В некоторых вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг. 2а, отверстие 218 для подачи ЬСМ-смеси, выполненное в корпусе 214 ЬСМ-ячейки, может иметь резьбу. ЬСМ-ячейка также может иметь резьбу 222 для сцепления с колпачком 202 ЬСМячейки. Как показано на фиг. 2Ь, колпачок 202 ЬСМ-ячейки может иметь ответную резьбу 202а для сцепления с резьбой на верхней части корпуса 214 ЬСМ-ячейки с возможностью разъединения. Колпачок 202 также может иметь отверстие 202Ь, проходящее через него в осевом направлении. В силу своего размера отверстие 202Ь может иметь действительный внутренней диаметр 1/4 дюйма и пропускать мелкие частицы ЬСМ-материала. Отверстие 202Ь может иметь внутреннюю резьбу, может быть сцеплено, например с ЬСМ-приемником или клапанным механизмом через резьбовое соединение, и может обеспечивать гидравлическое сообщение между внутренней полостью ЬСМ-ячейки 200 и ЬСМ-приемником.

В некоторых вариантах осуществления изобретения колпачок 202 ЬСМ-ячейки может не содержать герметизирующего механизма. В вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг. 2а, в ЬСМячейке 200 под ее колпачком 202 может находиться фиксатор 204, который может герметизировать внутреннюю полость ЬСМ-ячейки 200. Фиксатор 204 может иметь уплотнения 224 и 226, предотвращающие выход любых флюидов из ЬСМ-ячейки через резьбовое соединение ее колпачка 202. Как показано на фиг. 2с, фиксатор 204 может иметь канавку 204а на наружной торцевой поверхности и канавку на поверхности его верхней части (не показана), в которых могут быть расположены уплотнительные кольца. Специалистам понятно, что в свете настоящего изобретения может быть применено множество других уплотнительных механизмов. Наружный диаметр фиксатора 204 может быть фактически близким диаметру внутренней полости ЬСМ-ячейки 200. Фиксатор 204 может быть вставлен в ЬСМ-ячейку 200, при этом уплотнительное кольцо 224 сцепляется с внутренней полостью 220 ЬСМ-ячейки 200. Фиксатор 204 также может иметь по меньшей мере одно внутреннее отверстие 204Ь, через которое пластовые флюиды могут перетекать из ЬСМ-ячейки в соединенный с ней ЬСМ-приемник.

ЬСМ-ячейка 200 дополнительно может содержать компоненты имитационного моделирования формации, которые могут быть использованы для имитационного моделирования кавернозных формаций или других, не кавернозных, формаций с обеспечением как масштабирования, так и повторяемости. Например, во внутренней полости 220 ЬСМ-ячейки 200 могут быть установлены располагаемые друг над

- 3 029922

другом компоненты имитационного моделирования формации, содержащие проточные каналы. В вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг. 2, компоненты имитационного моделирования формации могут содержать пластины и разделители пластин. Пластины и разделители пластин, показанные на фиг. 2, могут включать кавернозные пластины 210 и 212 и разделители 208 кавернозных пластин, содержащие проточные каналы, предназначенные для имитации кавернозных формаций (см. описание ниже). Как показано на фиг. 2а, действующий диаметр кавернозных пластин 210 и 212 и разделителя 208 кавернозных пластин равен диаметру внутренней полости 220 ЬСМ-ячейки 200, при этом кавернозные пластины 210 и 212 и разделители 208 кавернозных пластин могут быть расположены во внутренней полости 220 друг над другом. В некоторых вариантах осуществления изобретения кавернозные пластины 210 и 212 и разделитель 208 кавернозных пластин могут удерживать на месте фиксатором 204 и колпачком 202 ЬСМ-ячейки, а не сцеплять со стенками внутренней полости 220 ЬСМ-ячейки 200 для предотвращения их перемещения. В некоторых вариантах осуществлениях изобретения пластины 210 и 212 и разделители 208 могут ориентировать относительно друг друга при помощи системы штифт-гнездо. В одном варианте осуществления изобретения, как показано на фиг. 2, штифт 228 могут вставлять в гнездо, выполненное в примыкающих друг к другу пластине и разделителе, и выравнивать пластину и разделитель, поворачивая их. В некоторых других вариантах осуществления изобретения (не показанных на чертежах) штифт может быть встроен в пластину или в разделитель, при этом примыкающая пластина или примыкающий разделитель содержит соответствующее гнездо.

На фиг. 26 показано увеличенное изображение кавернозной пластины 210. Как показано на чертеже, кавернозная пластина 210 представляет собой цилиндрическую пластину, имеющую сквозные отверстия 210а, расположенные в шахматном порядке и пронизывающие кавернозную пластину 210 по ее толщине. В некоторых вариантах осуществления изобретения кавернозные пластины, используемые в ЬСМ-ячейке, могут иметь одинаковую толщину, например 1/2 дюйма. Отверстия 210а, расположенные в шахматном порядке, насчитывают 16 штук, причем диаметр каждого из этих отверстий составляет 1/8 дюйма, а общая площадь занимаемой этими отверстиями поверхности составляет 0,1963 квадратного дюйма. Как показано на чертеже, каждое из отверстий 210а может иметь квадратные грани, однако специалистам понятно, что в свете настоящего изобретения отверстия и каналы могут иметь множество других конфигураций.

На фиг. 2£ показано увеличенное изображение кавернозной пластины 212. Аналогично кавернозной пластине 210 толщина кавернозной пластины 212 может составлять 1/2 дюйма, однако в отличие от кавернозной пластины 210 кавернозная пластина 212 имеет лишь одно отверстие, действующий диаметр которого составляет 1/2 дюйма. В частности, общая площадь занимаемой этим отверстием поверхности кавернозной пластины 212 составляет 0,1963 квадратного дюйма, что идентично общей площади поверхности, занимаемой отверстиями кавернозной пластины 210. В некоторых вариантах осуществления изобретения все кавернозные пластины, располагаемые друг над другом в ЬСМ-ячейке, могут иметь одинаковую общую площадь поверхности, занимаемой отверстиями каждой из этих пластин. Таким образом обеспечивают в общем одинаковый расход потока флюида, протекающего через ЬСМ-ячейку, и эффективное имитационное моделирование кавернозной формации. В других вариантах осуществления изобретения кавернозная пластина может иметь, например, четыре отверстия с действующим диаметром 1/4 дюйма и общей площадью занимаемой этими отверстиями поверхности 0,1963 квадратного дюйма. В других конфигурациях размеры отверстий могут быть таковы, что общая площадь занимаемой этими отверстиями поверхности не равна 0,1963 квадратного дюйма. В частности, каждое из отверстий в кавернозной пластине может имитировать каверну в кавернозной формации, имеющую размер, сходный с площадью соответствующего отверстия. Таким образом, имитационное моделирование различных кавернозных формаций могут проводить путем выбора требуемых размеров отверстий, соответствующих параметрам каверн анализируемой кавернозной формации. Кавернозные пластины, например, могут содержать отверстия самых разных размеров, что может обеспечить проведение имитационного моделирования самых разных кавернозных формаций.

На фиг. 2е показан пример разделителя 208 кавернозных пластин в соответствии с аспектами настоящего изобретения. Как показано на чертеже, разделитель 208 кавернозных пластин имеет форму кольца, ограничивающего внутреннее отверстие 208а. Конфигурация разделителя 208 кавернозных пластин может быть изменена в зависимости от расположения отверстий в примыкающей кавернозной пластине для обеспечения свободного протекания потока флюида через кавернозные пластины. Например, если отверстия кавернозных пластин удалены друг от друга на большие расстояния по сравнению с расстояниями между отверстиями 210а в кавернозной пластине 210, указанное внутреннее отверстие может быть расширено, чтобы разделитель кавернозных пластин не перекрывал отверстие примыкающей кавернозной пластины. Аналогично, если отверстия кавернозных пластин находятся ближе друг к другу, указанное внутреннее отверстие может быть сужено.

В некоторых вариантах осуществления изобретения площадь сечения разделителя кавернозных пластин в силу его конструкции может почти совпадать с площадью поверхности, занимаемой отверстиями примыкающих кавернозных пластин. На фиг. 2д показан пример разделителя 208 кавернозных пластин, установленного сверху приведенной для примера кавернозной пластины 210.

- 4 029922

Пластовые флюиды могут протекать из отверстий в кавернозных пластинах во внутреннее отверстие разделителя 208 кавернозных пластин по траектории 250. Площадь 252 поперечного сечения потока разделителя 208 кавернозных пластин определяется толщиной разделителя 208 кавернозных пластин и шириной его внутреннего отверстия, причем площадь поперечного сечения потока могут изменять, варьируя любой из этих параметров. Например, при необходимости расширить внутреннее отверстие для размещения определенного отверстия, сохранив неизменной площадь поперечного сечения потока, могут уменьшить толщину разделителя кавернозных пластин. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 2д площадь поперечного сечения потока может составлять 0,1963 квадратного дюйма и соответствовать общей площади поверхности, занимаемой отверстиями примыкающей кавернозной пластины 210.

В некоторых вариантах осуществления изобретения ЬСМ-ячейка может содержать кавернозные пластины с разными размерами и расположением отверстий. Например, ЬСМ-ячейка 200 имеет четыре кавернозные пластины, аналогичные кавернозной пластине 212, с одним отверстием диаметром 1/2 дюйма и одну кавернозную пластину 210 с множеством отверстий диаметром 1/8 дюйма. Преимущество такой конфигурации состоит в том, что ЬСМ-материал, проходящий через кавернозные пластины, аналогичные кавернозной пластине 212, может быть захвачен в кавернозной пластине 210 до попадания в ЬСМ-приемник и возможного закупоривания ЬСМ-приемника. Специалистам понятно, что в свете настоящего изобретения могут быть использованы другие конфигурации. Например, в ЬСМ-ячейке могут быть установлены только три кавернозные пластины, а не две, или совершенно иной компонент имитационного моделирования кавернозной формации.

В зависимости от конфигурации компоненты имитационного моделирования кавернозной формации в ЬСМ-ячейке могут иметь разную общую высоту. Например, при удалении из ЬСМ-ячейки 200, показанной на фиг. 2а, одного слоя кавернозных пластин и разделителей кавернозных пластин общая высота расположенных друг над другом компонентов имитационного моделирования формации будет меньше. Для удобства создания различных конфигураций компонентов имитационного моделирования формации между фиксатором 204 и компонентами имитационного моделирования формации может быть вставлен регулируемый разделитель 206. Регулируемый разделитель 206 может представлять собой, например наборный разделитель с регулируемой толщиной, который может быть вставлен сверху набранной группы так, что высота этой группы остается постоянной во всех конфигурациях. Благодаря постоянной высоте набранной группы установленные колпачок 202 ЬСМ-ячейки и фиксатор 204 сжимают эту группу и удерживают компоненты имитационного моделирования формации на месте. Преимущество такой конструкции состоит в том, что она может обеспечивать повторяемость испытаний и масштабирование компонентов имитационного моделирования кавернозных формаций, располагаемых в ЬСМячейке.

На фиг. 3 показан пример траектории 350 потока, протекающего через ЬСМ-ячейку 300. Как показано на чертеже, ЬСМ-смесь может поступать через отверстие 316 для подачи ЬСМ-смеси во внутреннюю полость ЬСМ-ячейки 300, ограниченную корпусом 314 ЬСМ-ячейки. Перед поступлением во внутреннее отверстие разделителя 308 кавернозных пластин ЬСМ-смесь может протекать через кавернозную пластину 310. Далее ЬСМ-смесь может протекать в продольном направлении через внутреннее отверстие разделителя 308 кавернозных пластин, попадая в площадь поперечного сечения потока разделителя 308 кавернозных пластин, как описано выше. ЬСМ-смесь может зигзагообразно протекать через ЬСМячейку, протекать через регулируемый разделитель 306, поступать в фиксатор 304 с уплотнением 340 и вытекать из отверстия в колпачке 302 ЬСМ-ячейки. В некоторых вариантах осуществления изобретения общая площадь отверстий каждой кавернозной пластины/площадь поперечного сечения потока каждого разделителя кавернозных пластин могут быть почти равными. Такая конструкция обеспечивает протекание через ЬСМ-ячейку 300 в общем равномерного потока.

Выше описаны компоненты имитационного моделирования формации, содержащие пластины и разделители платин, однако могут быть использованы другие компоненты имитационного моделирования формации. Например, на фиг. 4 показана ЬСМ-ячейка 400, содержащая шарики 406 диаметром 3/8 дюйма, расположенные в кольцевой внутренней полости, находящейся между втулкой 410 корпуса ЬСМ-ячейки и цилиндрическим внутренним приспособлением 420. Компоненты имитационного моделирования формации, показанные на фиг. 4, также могут быть использованы для имитационного моделирования кавернозных формаций аналогично конфигурации ЬСМ-ячейки, показанной на фиг. 2. Размеры втулки 410 корпуса ЬСМ-ячейки и цилиндрического внутреннего приспособления 420 обуславливают внутренний диаметр корпуса 414 ЬСМ-ячейки, при этом каждый слой шариков образует кольцо вокруг цилиндрического приспособления 420 без зазоров. Расположение шариков таково, что каждое испытание проводится при одном и том же количестве неизменно расположенных шариков. Специалистам понятно, что в свете настоящего изобретения могут быть использованы шарики других размеров. Шарики 406 могут быть расположены в кольцевой внутренней полости и могут удерживаться на месте колпачком 402 ЬСМ-ячейки и фиксатором 404, которые могут быть аналогичны вышеописанным колпачку 202 ЬСМячейки и фиксатору 204. В зависимости от моделируемой в ЬСМ-ячейке кавернозной формации и параметров испытания шарики 406 могут быть расположены в ЬСМ-ячейке 400 друг над другом на различ- 5 029922

ной высоте. Соответственно, для обеспечения достаточного прижима шариков с целью удержания их на месте посредством колпачка 402 ЬСМ-ячейки и фиксатора 404 может быть использован регулируемый разделитель.

В другом варианте осуществлении изобретения, показанном на фиг. 5, компоненты имитационного моделирования формации могут содержать два кольцевых вкладыша 506 и 508, расположенных в корпусе 514 ЬСМ-ячейки 500. Конфигурация ЬСМ-ячейки, показанная на фиг. 5, также может быть использована для имитационного моделирования кавернозных формаций. Кольцевые вкладыши могут располагаться на одной оси с внутренним цилиндрическим приспособлением 520 ЬСМ-ячейки 500, аналогичным показанному на фиг. 4. Установленные кольцевые вкладыши 506 и 508 в силу своей конструкции могут образовывать в ЬСМ-ячейке 500 сужающиеся щели. Например, диаметр наружной цилиндрической поверхности кольцевого вкладыша 508 может быть почти равен диаметру внутренней поверхности корпуса 514 ЬСМ-ячейки. Внутренняя поверхность кольцевого вкладыша 508 имеет форму конуса, и ее диаметр во всех точках больше диаметра внутреннего цилиндрического приспособления ЬСМ-ячейки 500. Установленный кольцевой вкладыш 508 образует сужающуюся щель 508а для протекания ЬСМ-смеси, ширина которой уменьшается при удалении от отверстия для подачи ЬСМ-смеси. Кольцевой вкладыш 506 в своей нижней части может иметь разделители, расположенные друг над другом сверху кольцевого вкладыша 508. Диаметр внутренней цилиндрической поверхности кольцевого вкладыша 506 может быть почти равен диаметру внутреннего цилиндрического приспособления 520 ЬСМ-ячейки 500. Наружная поверхность кольцевого вкладыша 506 может образовывать сужающуюся щель 506а, причем диаметр кольцевого вкладыша 506 увеличивается при удалении от кольцевого вкладыша 508. В соответствии с вышеприведенным описанием площадь сечения потока сужающихся щелей 506а и 508а, образованных кольцевыми вкладышами 506 и 508, может быть почти равна площади сечения потока пространства между кольцевыми вкладышами 506 и 508. В частности, сужающиеся щели, образованные кольцевыми вкладышами 506 и 508, могут имитировать кавернозную формацию, каверны которой имеют размеры, почти такие же, как и площадь сечения потока этих сужающихся щелей.

В другом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 6, компоненты имитационного моделирования формации могут содержать расположенные друг над другом пластины, образующие сужающуюся щель. Каждая из расположенных друг над другом пластин 612 может содержать часть сужающейся щели, при этом данные пластины могут быть выровнены в ЬСМ-ячейке 600 при помощи штифтов 614 и могут образовывать единую сужающуюся щель 610. Как показано на чертеже, в силу своих размеров пластины 612 могут помещаться во внутреннем пространстве корпуса 604 ЬСМ-ячейки. Кроме того, как показано на чертеже, пластины 612 могут удерживаться в ЬСМ-ячейке при помощи располагаемых друг над другом разделителей 608, фиксатора 606 и колпачка 602 ЬСМ-ячейки. В некоторых вариантах осуществления изобретения компоненты имитационного моделирования формации, сходные с пластинами 612, могут быть использованы для имитационного моделирования трещины в подземной формации, что, следовательно, позволяет проводить испытания на эффективность закупоривания ЬСМматериалами трещины.

В другом варианте осуществления изобретения, как показано на фиг. 7, компоненты имитационного моделирования формации могут содержать располагаемые друг над другом пластины, образующие зигзагообразную щель. Каждая из расположенных друг над другом пластин 712 может содержать часть зигзагообразной щели 710, при этом данные пластины могут быть выровнены в ЬСМ-ячейке 700 при помощи штифтов 714 и могут образовывать единую зигзагообразную щель 710. Как показано на чертеже, в силу своих размеров пластины 712 могут помещаться во внутреннем пространстве корпуса 704 ЬСМячейки. Кроме того, как показано на чертеже, пластины 712 могут удерживаться в ЬСМ-ячейке при помощи располагаемых друг над другом разделителей 708, фиксатора 706 и колпачка 702 ЬСМ-ячейки. В некоторых вариантах осуществления изобретения компоненты имитационного моделирования формации, сходные с пластинами 712, могут быть использованы в исследованиях ЬСМ-материалов или кавернозных формаций.

В другом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 8, компонент имитационного моделирования формации может содержать вкладыш 812, имеющий двойную винтовую канавку 810, выполненную посредством механообработки на его наружной поверхности. Как показано на чертеже, в силу своих размеров вкладыш 812 может помещаться во внутреннем пространстве корпуса 804 ЬСМячейки. Кроме того, как показано на чертеже, вкладыш 812 может удерживаться в ЬСМ-ячейке при помощи располагаемых друг над другом разделителей 808, фиксатора 806 и колпачка 802 ЬСМ-ячейки. В некоторых вариантах осуществления изобретения вкладыш, сходный с вкладышем 812, может быть использован для имитационного моделирования кавернозной формации. Канавки 810 могут иметь такую же площадь поперечного сечения, как и отверстия диаметром 1/2 дюйма, аналогичные отверстиям, выполненным в ЬСМ-ячейке, описанной со ссылкой на фиг. 2. Может быть использовано множество канавок, имеющих различные формы и наклоны.

Выше описано несколько вариантов осуществления компонентов имитационного моделирования формации, однако компоненты имитационного моделирования формации не ограничиваются этими вариантами осуществления. Напротив, объем изобретения охватывает другие конфигурации компонентов

- 6 029922

имитационного моделирования формации. В частности, описанные в данном документе варианты осуществления изобретения и другие конфигурации компонентов имитационного моделирования формации могут быть при необходимости объединены и модифицированы. Такие сочетания и модификации могут давать результаты, аналогичные результатам, достигаемым при применении описанных в данном документе вариантов изобретения, и заключающиеся в обеспечении траектории потока, протекающего через кавернозную ячейку, являющуюся повторяемой, масштабируемой и учитывающей применение ЬСМматериалов с разными геометрическими характеристиками.

Ниже описана стандартная процедура испытания ЬСМ-материалов с использованием системы испытания ЬСМ-материалов, аналогичной системе 100 испытания ЬСМ-материалов, показанной на фиг. 1. ЬСМ-ячейку могут собрать без колпачка или фиксатора. При этом компоненты имитационного моделирования могут установить во внутренней полости ЬСМ-ячейки. В РРА-ячейку 114 могут загрузить образец ЬСМ-смеси путем перемещения внутреннего поршня ко дну и создания таким образом пространства для ЬСМ-смеси, наполнения РРА-ячейки этой смесью и закрытия и герметизации РРА-ячейки без фильтрационного диска, наличие которого привело бы к отфильтровыванию ЬСМ-материала. После закрытия РРА-ячейки уровень ЬСМ-смеси может подняться доверху.

К РРА-ячейке могут подсоединить трубу диаметром 5/8 дюйма, аналогичную трубе 112, показанной на фиг. 1. РРА-ячейку далее могут поместить в нагревательную рубашку, например в 500миллилитровую горизонтальную нагревательную рубашку, трубой вверх. ЬСМ-ячейку также могут подсоединить к нагревательной рубашке, например к 175-миллилитровой нагревательной рубашке, а трубу диаметром 5/8 дюйма могут подсоединить ко дну ЬСМ-ячейки. К РРА-ячейке могут подсоединить насос с клапаном сброса давления в насосе для предотвращения выброса из РРА-ячейки ЬСМ-материала. В некоторых вариантах осуществления изобретения насос может представлять собой гидравлический насос с ручным управлением, в других вариантах осуществления изобретения насос может представлять собой автоматический гидравлический насос или насос другого типа, известный специалистам.

ЬСМ-ячейку могут наполнить имитируемым пластовым флюидом и герметизировать путем вставки фиксатора и закрытия ЬСМ-ячейки прикручиваемым винтами колпачком. К ЬСМ-ячейке могут подсоединить ЬСМ-приемник, который могут наполнить через крышку ЬСМ-приемника тем же пластовым флюидом, которым наполнили ЬСМ-ячейку. Из системы могут удалить избыток воздуха путем его отсоса из ЬСМ-приемника, в котором затем могут увеличить давление до уровня противодавления, требуемого для проведения испытания. Это противодавление может соответствовать давлению в кавернозной формации, имитируемой в рамках проводимого испытания. Избыток имитируемого пластового флюида могут слить из ЬСМ-приемника.

Обе нагревательные рубашки, относящие к ЬСМ-ячейке и РРА-ячейке, могут разогреть до температуры испытания, которая может соответствовать температуре кавернозной формации, имитируемой в рамках проводимого испытания. По истечении заданного времени, необходимого для стабилизации температуры, например 30 мин, ЬСМ-приемник могут опорожнить. После опорожнения ЬСМ-приемника клапан сброса давления в насосе могут закрыть. Далее, ЬСМ-смесь могут быстро перекачать из РРАячейки в ЬСМ-ячейку до достижения давления испытания. Это давление испытания может соответствовать давлению, которое буровые растворы могут оказывать на кавернозную формацию. По достижении требуемого давления испытания ЬСМ-приемник могут опорожнить для определения объема слитого флюида.

Каждый из вышеописанных этапов могут выполнять вручную. В некоторых вариантах осуществления некоторые или все этапы могут выполнять автоматически. Например, давление в РРА-ячейке и ЬСМприемнике могут увеличивать до требуемого уровня при помощи насосов с ручным управлением или автоматических насосов.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет достичь поставленные цели и обеспечить преимущества, упомянутые выше, а также присущие ему. Конкретные варианты осуществления изобретения, описанные выше, приведены исключительно в пояснительных целях; таким образом, настоящее изобретение может быть подвергнуто изменениям и реализовано различными, но эквивалентными, путями, понятными специалистам, извлекающим пользу из настоящего изобретения. Кроме того, на особенности конструкции или структуры, показанные в данном документе, не накладываются никакие иные ограничения, кроме приведенных в формуле настоящего изобретения. Таким образом, очевидно, что конкретные приведенные для примера варианты осуществления изобретения, описанные выше, могут быть изменены или модифицированы, причем все эти варианты не отклоняются от объема и сути настоящего изобретения. Кроме того, использованные в формуле изобретения термины употреблены в их прямом, обычном значении, если заявителем определенно и в явной форме не указано иное. Подразумевается, что существительные, выражающие не упоминавшийся выше по тексту элемент и употребленные в формуле изобретения в единственном числе, обозначают один или несколько таких элементов.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Ячейка для испытания материалов для борьбы с поглощениями (ЬСМ-материалов), применяемых

- 7 029922

в формации, содержащая

корпус, ограничивающий внутреннюю полость;

по меньшей мере один элемент, имитирующий кавернозные свойства формации, расположенный во внутренней полости;

запорный элемент, выполненный с возможностью герметизации внутренней полости ячейки и расположенный над по меньшей мере одним элементом, имитирующим кавернозные свойства формации, во внутренней полости; и

колпачок, сцепляемый с корпусом с возможностью разъединения и, будучи сцепленным с этим корпусом, содержащий, по меньшей мере, элемент, имитирующий кавернозные свойства формации, и запорный элемент во внутренней полости.
2. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один элемент, имитирующий кавернозные свойства формации, содержит

первую пластину; вторую пластину и

разделитель пластин, расположенный между первой и второй пластинами.
3. Ячейка по п.2, отличающаяся тем, что первая пластина содержит по меньшей мере одно отверстие, имеющее первую общую площадь отверстий, и вторая пластина содержит по меньшей мере одно отверстие, имеющее вторую общую площадь отверстий, причем первая общая площадь отверстий приблизительно равна второй общей площади отверстий.
4. Ячейка по п.3, отличающаяся тем, что разделитель пластин ограничивает площадь поперечного сечения потока, приблизительно равную первой общей площади отверстий и второй общей площади отверстий.
5. Ячейка по п.4, отличающаяся тем, что диаметр внутренней полости составляет приблизительно 2 дюйма, а первая общая площадь отверстий приблизительно равна 0,1963 квадратного дюйма.
6. Ячейка по п.2, отличающаяся тем, что первая пластина и вторая пластина выровнены так, что образуют зигзагообразную щель.
7. Ячейка по п.2, отличающаяся тем, что первая пластина и вторая пластина выровнены так, что образуют сужающуюся щель.
8. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один элемент, имитирующий кавернозные свойства формации, содержит вкладыш, имеющий двойную винтовую канавку, выполненную посредством механообработки на его наружной поверхности.
9. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит первое отверстие в корпусе, обеспечивающее гидравлическое сообщение с внутренней полостью; и второе отверстие в колпачке, обеспечивающее гидравлическое сообщение с внутренней полостью.
10. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один элемент, имитирующий кавернозные свойства формации, содержит шарики, расположенные между цилиндрическим внутренним приспособлением и втулкой корпуса, находящимися во внутренней полости.
11. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один элемент, имитирующий кавернозные свойства формации, содержит по меньшей мере один кольцевой вкладыш, расположенный вокруг цилиндрического внутреннего приспособления, находящегося во внутренней полости.
12. Устройство для испытания материалов для борьбы с поглощениями (ЬСМ-материалов), применяемых в формации, содержащее

ячейку по п. 1 для испытания ЬСМ-материалов (ЬСМ-ячейку), содержащую по меньшей мере один элемент, имитирующий кавернозные свойства формации;

работающий под давлением резервуар, гидравлически сообщающийся с ЬСМ-ячейкой и предназначенный для перекачивания образца смеси с ЬСМ-материалами (ЬСМ-смеси) в ЬСМ-ячейку; и

приемник ЬСМ-материалов (ЬСМ-приемник), гидравлически сообщающийся с ЬСМ-ячейкой и предназначенный для приема ЬСМ-смеси, протекающей через ЬСМ-ячейку.
13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что по меньшей мере один элемент, имитирующий кавернозные свойства формации, содержит по меньшей мере один из элементов - пластину, шарик и кольцевой вкладыш.
14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что работающий под давлением резервуар гидравлически сообщается с ЬСМ-ячейкой через отверстие в ее корпусе.
15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что ЬСМ-приемник гидравлически сообщается с ЬСМячейкой через отверстие в колпачке, сцепленном с ЬСМ-ячейкой посредством резьбы.
16. Устройство по п.12, отличающееся тем, что дополнительно содержит первую нагревательную рубашку, расположенную вокруг работающего под давлением резервуара, и вторую нагревательную рубашку, расположенную вокруг ЬСМ-ячейки.
17. Устройство по п.12, отличающееся тем, что ЬСМ-приемник гидравлически сообщается с ЬСМячейкой через промежуточный клапан.
18. Способ испытания материалов для борьбы с поглощениями (ЬСМ-материалов), применяемых в формации, в котором

- 8 029922

собирают ячейку по п. 1 для испытания ЬСМ-материалов (ЬСМ-ячейку), при этом устанавливают по меньшей мере один элемент, имитирующий кавернозные свойства формации, во внутренней полости ЬСМ-ячейки;

наполняют ЬСМ-ячейку и приемник ЬСМ-материалов (ЬСМ-приемник) имитируемым пластовым флюидом;

прикрепляют ЬСМ-приемник к ЬСМ-ячейке;

наполняют работающий под давлением резервуар смесью с ЬСМ-материалами (ЬСМ-смесью); подсоединяют работающий под давлением резервуар к ЬСМ-ячейке; перекачивают ЬСМ-смесь из работающего под давлением резервуара в ЬСМ-ячейку и определяют эффективность закупоривания ЬСМ-материалом множества элементов, имитирующих

кавернозные свойства формации.
19. Способ по п.18, отличающийся тем, что работающий под давлением резервуар содержит ячейку устройства для измерения закупоривающей способности частиц.
20. Способ по п.18, отличающийся тем, что определение эффективности закупоривания ЬСМматериалом множества элементов, имитирующих кавернозные свойства формации, содержит по меньшей мере одно из действий: определение количества флюида, содержащегося в ЬСМ-приемнике, определение уровня давления, которое может выдерживать ЬСМ-материал при перекачивании ЬСМ-смеси в ЬСМ-ячейку, определение интервала времени, на протяжении которого ЬСМ-материал может выдерживать заданное давление при заданной температуре, и разборку ЬСМ-ячейки для анализа множества элементов, имитирующих кавернозные свойства формации.

104

108

102

106

100

116