008083 Настоящее изобретение относится к способу сокращения проникновения частиц горной породы... грунтового пласта внутрь ствола скважины, предназначенной для добычи жидких углеводородов....

008083
Настоящее изобретение относится к способу сокращения проникновения частиц горной породы из
грунтового пласта внутрь ствола скважины, предназначенной для добычи жидких углеводородов. Часто
порода продуктивного пласта бывает слабо сцементирована, вследствие чего под воздействием жидких
углеводородов, пропускаемых через поровое пространство, происходит ее распад и попадание внутрь
ствола скважины.
Проникновение частиц горной породы, называемое обычно выносом песка, зачастую является проблемой в промышленности по добыче жидких углеводородов, так как частицы песка, выносимые с продуктом, добываемым из скважины, проявляют склонность к разъеданию применяемого эксплуатационного оборудования, к примеру, такого как насосно-компрессорные трубы и клапаны. Общепринятые
способы борьбы с поступлением песка в скважину включают установку поддерживающих перфорированных хвостовиков или сеток, позволяющих проходить через них жидким углеводородам, но не пропускающих частицы песка. Кроме того, в целях борьбы с поступлением песка между хвостовиками или
сетками и стенкой скважины также размещаются гравийные набивки. Несмотря на то, что применение
таких хвостовиков, сеток и гравийных набивок приносит, как правило, хорошие результаты, существуют
также потенциальные недостатки, обусловленные их применением, к примеру, такие как засорение отверстий, хвостовиков, сеток или гравийных набивок, которое может привести к сокращению объемов
добычи жидких углеводородов. Следовательно, существует настоятельная необходимость в дальнейшем
совершенствовании способов борьбы с поступлением песка в скважину.
В патентах США 5337825 и 5386875, а также в заявке на патент США 2003/0070805 раскрыты способы, в которых давление в пласте, окружающем ствол скважины, снижается посредством прострелов и
разломов, по существу, параллельных стенок.
Целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа, сокращающего
проникновение частиц горной породы в ствол скважины для добычи жидких углеводородов и устраняющего недостатки известного уровня техники.
Согласно настоящему изобретению создан способ, сокращающий проникновение частиц горной
породы из грунтового пласта внутрь ствола скважины для добычи жидких углеводородов, предусматривающий создание зоны пониженной компрессионной жесткости вокруг ствола скважины посредством
удаления материала породы из стенки ствола скважины, при этом стадия удаления материала породы из
стенки ствола скважины включает в себя образование щели в стенке ствола скважины, причем указанная
щель имеет клиновидную форму в плоскости поперечного сечения ствола скважины, и ширина щели
уменьшается в радиальном направлении наружу.
Таким образом, достигается снижение концентрации напряжений в материале породы в стенке
ствола скважины и смежной с ним зоне. Такая концентрация напряжения возникает в результате наличия
скважины в формации, при этом начинает возмущаться первоначально невозмущенное состояние напряжений формации. Возмущенное состояние напряжений выражается в возникновении высокого напряжения при сдвиге в близлежащей к стволу скважины области, что часто приводит к локальному повреждению формации, приводящему тем самым к выносу песка. Посредством уменьшения компрессионной
жесткости в зоне вокруг ствола скважины снимается относительно высокое напряжение при сдвиге, возникающее в близлежащей к стволу скважины области, вследствие чего сокращается риск локального
повреждения формации.
Предпочтительно, чтобы стадия удаления материала породы из стенки ствола скважины проводилась в части ствола скважины, которая еще не закреплена обсадными трубами, то есть, иными словами, в
пределах не обсаженной части ствола скважины.
Соответственно, на стадии удаления материала породы из стенки ствола скважины удаляют материал породы по меньшей мере из одной удлиненной части стенки ствола скважины.
Предпочтительным является то, что каждая такая удлиненная часть имеет продольную ось, простирающуюся в осевом направлении ствола скважины.
Очевидно, что нет необходимости в том, чтобы такая удлиненная часть располагалась параллельно
продольной оси ствола скважины, но такая часть, например, может располагаться также и в форме спирали, обвивающейся вокруг ствола скважины.
В основном грунтовый пласт, окружающий ствол скважины, подвергается воздействию напряжений, в том числе первого, второго и третьего главных напряжений. Предпочтительным является то, что
указанная удлиненная часть располагается в радиальном направлении, выбираемом, по существу, таким
образом, чтобы оно было перпендикулярно по отношению к одному из указанных главных напряжений.
Соответственно, указанная удлиненная часть располагается в радиальном направлении, по существу,
перпендикулярном по отношению к выбранному, самому высокому из упомянутых главных напряжений.
В случае расположения ствола скважины, по существу, вертикально, предпочтительно, чтобы указанная удлиненная часть располагалась в радиальном направлении, по существу, перпендикулярном по
отношению к самому высокому горизонтальному главному напряжению.
В случае расположения ствола скважины, по существу, горизонтально, предпочтительно, чтобы
указанная удлиненная часть располагалась в радиальном направлении, по существу, перпендикулярном
по отношению к вертикальному главному напряжению.
-1-
008083
Щели или отверстия могут быть оставлены открытыми (т.е., заполненными газом или жидкостью),
либо заполнены каким-либо эластичным материалом.
Ниже следует более подробное описание настоящего изобретения и примера его выполнения со
ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлено:
фиг. 1А - ствол скважины в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения, на начальной стадии способа, схематично;
фиг. 1В - ствол скважины, согласно фиг. 1А, на конечной стадии осуществления данного способа;
фиг. 2 - нижняя часть ствола скважины, в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения
настоящего изобретения, схематично;
фиг. 3 - поперечный разрез горизонтального ствола скважины, оснащенного щелями, расположенными, по существу, в горизонтальной плоскости, схематично;
фиг. 4 - поперечный разрез горизонтального ствола скважины, оснащенного щелями, расположенными под углом к вертикальной плоскости, схематично;
фиг. 5 - диаграмма зависимости напряжения при сдвиге в формации вокруг ствола скважины в
функции радиального расстояния от ствола скважины.
На фигурах одинаковые элементы обозначены одними и теми же позициями.
На фиг. 1А показан ствол скважины 1 для добычи жидких углеводородов, ствол скважины 1 проходит сквозь грунтовый пласт 2, включая зону формации 3, содержащую жидкие углеводороды. Ствол
скважины 1 оснащен обсадной трубой 4, простирающейся от устья скважины 5, расположенного на поверхности земли 6, почти до верхнего края зоны формации 3. Обсадная труба 4 закреплена в стволе скважины слоем цемента 7, расположенным между стенкой ствола скважины и обсадной трубой 4. Нагнетательная колонна 8, предназначенная для нагнетания буровой жидкости, начинается от буровой установки
10, расположенной на поверхности, и проходит сквозь ствол скважины 1. Нижний конец нагнетательной
колонны 8 оснащен струйной шарошкой 12, оснащенной парой струйных насадок 14, расположенных
друг напротив друга. Струйная шарошка 12 расположена почти на нижней границе зоны формации 3.
Струи 16 жидкости выталкиваются из струйных насадок 14 в направлении стенки ствола скважины 1 и,
таким образом, формируют щели 16, расположенные в стенке ствола скважины друг напротив друга.
На фиг. 1B показан ствол скважины 1 после поднятия нагнетательной колонны 8 в положение, в котором струйная шарошка 12 располагается почти на уровне верхнего края зоны формации 3. Щели 16
располагаются в осевом направлении 17 ствола скважины 1 и, по существу, вдоль всей длины той части
ствола скважины 1, которая проходит через зону формации 3.
На фиг. 2 показана нижняя часть ствола скважины 20, оснащенная множеством близко расположенных друг от друга отверстий 22, выполненных в стенке ствола скважины 20. Отверстия 22 расположены
таким образом, чтобы образовались два ряда 24 отверстий, расположенных друг напротив друга, причем
ряды 24 тянутся в осевом направлении ствола скважины 20.
На фиг. 3 показан, по существу, поперечный разрез горизонтальной части 30 ствола скважины, проходящей сквозь зону формации 3. В естественном залегании зона формации 3 подвергается воздействию
напряжений, наибольшую величину из которых имеет вертикальное главное напряжение (σv). Наличие
ствола скважины 30 в зоне формации 3 приводит к концентрации напряжений, в результате чего наибольшее напряжение при сдвиге (τ) возникает вблизи от стенки ствола скважины приблизительно на равном расстоянии от верхней и нижней частей горизонтального ствола скважины 30. В стенке части ствола
скважины 30 образованы щели 32, эти щели расположены друг напротив друга и простираются в осевом
направлении вдоль части ствола скважины 30.
На фиг. 4 показан поперечный разрез, по существу, горизонтальной части 40 ствола скважины, проходящей через зону формации 3. В естественном залегании зона формации 3 подвергается воздействию
напряжений, включая вертикальное главное напряжение (σv), имеющее наибольшую величину. Концентрация напряжений, возникающая в результате наличия ствола скважины 40 в зоне формации 3, приводит к
созданию около стенки ствола скважины сравнительно высокого напряжения при сдвиге (τ). В стенке
части ствола скважины 40 образованы щели 42, причем эти щели 42 образуются в верхней половине
стенки ствола скважины таким образом, что каждая щель 42 располагается под углом в 45° к вертикали.
На фиг. 5 представлена диаграмма, показывающая напряжения при сдвиге τ в зоне формации вокруг ствола скважины в функции радиального расстояния r от стенки ствола скважины. Кривой (а) обозначено напряжение при сдвиге τ, возникающее в зоне формации в случае отсутствия щелей в стенке
ствола скважины, а кривой (b) обозначено напряжение при сдвиге τ, возникающее в зоне формации в
случае наличия щелей в стенке ствола скважины. Диаграмма предназначена только для сопоставления
кривых (а) и (b), поэтому вдоль осей не указан масштаб и не обозначены единицы измерения для переменных величин τ и r.
При нормальной эксплуатации ствол скважины 1 бурится почти на глубину залегания жидких углеводородов, содержащихся в зоне формации 3, устанавливается обсадная труба 4, и между обсадной трубой 4 и стенкой ствола скважины закачивается цементный раствор, из которого образуется слой цемента
7. Затем осуществляется дальнейшее пробуривание ствола скважины 1 сквозь зону формации 3. Перед
-2-
008083
началом добычи жидких углеводородов из зоны формации 3, в ствол скважины 1 опускается нагнетательная колонна 8 так, чтобы струйная шарошка 12 расположилась вблизи от дна ствола скважины 1
(фиг. 1А). Затем внутрь колонны 8 закачивается буровая жидкость (например, вода) для того, чтобы из
струйной шарошки начали выходить две противоположно направленные струи, ударяющие струей в
стенку ствола скважины. В результате, в стенке ствола скважины образуются щели 16. Одновременно с
нагнетанием буровой жидкости внутрь колонны 8 осуществляется постепенное поднимание колонны в
стволе скважины 1 до тех пор, пока струйная шарошка 12 не будет находиться рядом с верхним краем
зоны формации 3 (фиг. 1В). Таким образом, щели 16 образуются, по существу, вдоль всей протяженности секции ствола скважины 1, проходящей через зону формации 3.
В случае, по существу, горизонтального прохождения ствола скважины через зону формации 3
(фиг. 3, 4), нагнетательная колонна 8 поднимается сквозь ствол скважины 1 так, чтобы струйная шарошка 12 прорезала щели 32, 42, 52, по существу, вдоль всей протяженности секции ствола скважины 1, проходящей через зону формации 3.
В варианте выполнения настоящего изобретения, показанном на фиг. 3, струйная шарошка 12 ориентирована внутри ствола скважины 1 так, что в ходе процесса резания насадки 14 располагаются, по
существу, в горизонтальной плоскости.
В варианте выполнения настоящего изобретения, показанном на фиг. 4, применяется первая альтернативная струйная шарошка (не показана), имеющая насадки, расположенные под углом примерно в 90
градусов друг относительно друга, вследствие чего альтернативная струйная шарошка устанавливается
внутри ствола скважины 1 в таком положении, чтобы ее насадки в ходе процесса резания располагались
под углом в 45 градусов относительно вертикали.
В результате выполнения щелей 16, 32, 42 или соответствующих рядов 24 отверстий происходит
формирование кольцеобразной зоны 60 пониженной компрессионной жесткости вокруг ствола скважины
1, 30, 40. Толщина зоны 60 приблизительно равна глубине щелей 16, 32, 42 или отверстий, образующих
ряды 24. Компрессионная жесткость зоны 60 уменьшается в связи с тем, что щели 16, 32, 42 образуют
открытые пространства между поперечными сечениями породы 62, причем такие открытые пространства
обеспечивают возможность некоторого кругового сжатия кольцеобразной зоны 60 под воздействием регулируемых напряжений, создаваемых в формации. В результате происходит некоторое снижение напряжений в сечениях материала породы 62 в пределах кольцеобразной зоны 60 между щелями 16, 32, 42.
Снижение напряжений в кольцеобразной зоне 60 приводит к некоторому повышению напряжений в материале породы за пределами кольцеобразной зоны 60, как это условно показано на фиг. 6. Однако напряжения, возникающие за пределами кольцеобразной зоны 60, будут сравнительно низкими, и поэтому
ограниченное увеличение таких напряжений не повлечет за собой возникновения какого-либо неблагоприятного эффекта.
При практическом применении способа согласно настоящему изобретению обеспечивается возможность снижения сравнительно высоких напряжений при сдвиге, возникающих около стенки ствола
скважины, благодаря чему уменьшается наблюдающаяся тенденция материала породы, находящегося
рядом со стволом скважины, к локальному повреждению. Следует понимать, что такое ограничение тенденции материала породы, находящегося рядом со стволом скважины, к повреждению приводит к желаемому сокращению проникновения частиц горной породы (частиц песка) внутрь ствола скважины во
время процесса добычи жидких углеводородов из зоны грунтовой формации.
Вместо того чтобы формировать соответствующие щели или ряды отверстий в не обсаженной части
ствола скважины, можно обеспечить формирование таких же щелей или рядов отверстий в формации
породы, находящейся позади перфорированных хвостовиков или обсадной трубы скважины.
Вместо формирования щелей посредством вышеописанной струйной шарошки можно обеспечить
формирование таких же щелей посредством соответствующего механического устройства, к примеру,
такого как цепная пила или заряд взрывчатого вещества.
Вместо параллельного расположения удлиненной части по отношению к продольной оси ствола
скважины или расположения ее по спирали вокруг ствола скважины можно расположить удлиненную
часть также в плоскости, по существу, перпендикулярной по отношению к продольной оси ствола скважины. Таким образом, в данном варианте выполнения изобретения удлиненная часть имеет круглую
форму.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ, сокращающий проникновение частиц горной породы из грунтового пласта внутрь ствола
скважины для добычи жидких углеводородов, в котором создают зону пониженной компрессионной жесткости вокруг ствола скважины посредством удаления материала породы из стенки ствола скважины,
при этом на стадии удаления материала породы из стенки ствола скважины образуют щель в стенке
ствола скважины, отличающийся тем, что указанную щель выполняют клиновидной формы в плоскости
поперечного сечения ствола скважины, при этом ширина щели уменьшается в радиальном направлении
наружу.
-3-
008083
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный материал породы удаляют из стенки ствола
скважины в той части ствола скважины, которая еще не закреплена обсадными трубами.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что на указанной стадии удаления материала породы из
стенки ствола скважины удаляют материал породы по меньшей мере из одной удлиненной части стенки
ствола скважины.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что каждая удлиненная часть имеет продольную ось, простирающуюся в осевом направлении ствола скважины.
5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что грунтовый пласт, окружающий ствол скважины,
подвергают воздействию напряжений, в том числе первого, второго и третьего главных напряжений,
причем упомянутую удлиненную часть располагают в радиальном направлении, выбираемом, по существу, таким образом, чтобы оно было перпендикулярно по отношению к одному из указанных главных
напряжений.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что упомянутую удлиненную часть располагают в радиальном
направлении, по существу, перпендикулярном по отношению к самому высокому из упомянутых главных напряжений.
7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что ствол скважины располагают, по существу, вертикально, при этом упомянутую удлиненную часть располагают в радиальном направлении, по существу,
перпендикулярном по отношению к самому высокому горизонтальному главному напряжению.
8. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что ствол скважины располагают, по существу, горизонтально, при этом упомянутую удлиненную часть располагают в радиальном направлении, по существу,
перпендикулярном по отношению к вертикальному главному напряжению.
9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что стадия образования щели содержит следующие этапы:
а) опускают колонну труб, оснащенную струйной шарошкой в ствол скважины;
б) нагнетают жидкость в указанную колонну труб посредством насоса с тем, чтобы обеспечить выбрасывание струи жидкости из струйной шарошки в направлении стенки ствола скважины с образованием при этом соответствующего разреза в стенке ствола скважины;
в) перемещают указанную колонну труб одновременно с осуществлением этапа (б) в осевом направлении вдоль ствола скважины.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанную щель, по существу, выполняют в осевом направлении относительно ствола скважины.
Фиг. 1A
-4-
008083
Фиг. 1B
Фиг. 2
Фиг. 3
-5-
008083
Фиг. 4
Фиг. 5
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
-6-