способ и устройство для очистки обсадной колонны ствола скважины

Формула изобретения

1. Узел, предназначенный для спуска в обсадную колонну скважины нефтяного месторождения и очистки от обломков породы, находящихся внутри обсадной колонны, содержащий, по меньшей мере, один корпус щетки, выполненный из жесткого материала, выбранного из группы, содержащей полиуретан высокой плотности, полипропилен высокой плотности, нейлон, орлон, материалы на основе фенолоальдегидного полимера, жесткий каучук, алюминий, их комбинации, полиэтилен высокой плотности и древесину в упомянутых комбинациях, по меньшей мере, одну щетку, расположенную на, вблизи или внутри наружной поверхности корпуса щетки и имеющую размер, обеспечивающий контакт с внутренней поверхностью обсадной колонны при спуске узла в обсадную колонну скважины нефтяного месторождения, и, по меньшей мере, одну цементную пробку из эластомера, соединенную с корпусом щетки и имеющую размер, необходимый для очистки внутренней поверхности обсадной колонны при спуске узла в обсадную колонну скважины нефтяного месторождения.

2. Узел по п.1, в котором корпус щетки выполнен из полиуретана, имеющего плотность, превышающую 10 фунтов на кубический фут.

3. Узел по п. 1, в котором корпус щетки выполнен из полиуретана, имеющего плотность, составляющую, по меньшей мере, 12 фунтов на кубический фут.

4. Способ очистки внутренней поверхности обсадной колонны скважины нефтяного месторождения, по меньшей мере, частично зацементированной в стволе скважины, содержащий спуск узла согласно пп.1-3 в обсадную колонну на заданную глубину в стволе скважины.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится в основном к способу и устройству для очистки внутренней поверхности обсадной колонны, используемой в нефтяных и газовых скважинах, в частности к способам и устройству для очистки такой обсадной колонны перед завершением скважины.

Согласно известному уровню техники обычно осуществляли очистку внутренней поверхности скважинной обсадной колонны перед завершением скважины посредством спуска бурильной колонны, имеющей щетку и буровое долото на конце такой бурильной колонны, для прохождения обсадной колонны и удаления любых препятствий в обсадной колонне, например цемента и других загрязнений, при этом щетка обеспечивает очистку обсадной колонны. Поскольку внутренний диаметр обсадной колонны меньше диаметра необсаженной скважины, которая только что была пробурена и в которой еще не зацементирована обсадная колонна, бурильная колонна, использованная для бурения скважины, сначала должна быть вынесена и уложена, и затем для спуска в обсадную колонну используют вторую бурильную колонну меньшего диаметра и имеющую буровое долото меньшего диаметра. Вынос и укладка одной бурильной колонны и спуск другой бурильной колонны, иногда называемой "спусковой колонной", в обсаженную скважину для ее очистки является очень трудоемким и неэкономичным процессом.

Патент США №4896720, выданный Mark W.DeRouen, описывает узел, в котором используется щетка, прикрепленная к верхней цементной пробке, и вторая щетка подсоединена между верхней цементной пробкой и нижней цементной пробкой, используемыми при цементировании. Узел предназначен для спуска в обсадную колонну без использования спусковой колонны с бурильной трубой и буровым долотом для очистки внутренней поверхности обсадной колонны. Щетки, показанные и описанные в патенте США №4896720, выполнены из нежесткого пенополиуретана и с использованием множества спиральных витков щетинок из проволоки, расположенных на наружной поверхности каждой щетки с целью введения щетинок в контакт с внутренней поверхностью обсадной колонны. Назначением эластичного пенополиуретана была попытка того, чтобы пена действовала как пружинистое средство, которое могло бы сжиматься и поддерживать постоянный контакт с внутренней стенкой обсадной колонны. Однако при таком устройстве увеличение давления бурового раствора в стволе скважины с увеличением глубины вызывает сжатие пенополиуретана и оттягивание щетинок от внутренней поверхности стальной обсадной колонны, что, таким образом, приводит к тому, что внутренний диаметр обсадной колонны не очищается надлежащим образом. Кроме того, для создания корпуса щетки, соответствующей патенту США №4896720, требуется алюминиевый стержень, проходящий по его длине от одного конца до другого, с целью получения определенной степени устойчивости корпуса щетки, но который, тем не менее, не способен предотвращать сжатия пенополиуретана давлением жидкости на больших глубинах, возникающим в обсаженном стволе скважины.

Следует принимать во внимание, что комбинация из щетки и цементной пробки, описанная в патенте США №4896720, не так легко поддается разбуриванию, как это было бы желательно. Поскольку корпуса щеток из пенополиуретана, описанных в патенте №4896720, эластичные, когда буровое долото начинает разбуривать такие щетки, щетки иногда начинают вращаться вместе с буровым долотом и задерживать процесс разбуривания на существенный период времени. Такие проблемы возникают при попытках разбуривать уже сами упругие цементные пробки и только усугубляются при добавлении одной или нескольких щеток, имеющих эластичные корпуса, вызывающие аналогичную проблему.

Таким образом, главной целью настоящего изобретения является создание нового и усовершенствованного способа и устройства для очистки внутренней поверхности обсадной колонны скважины, в котором щетинки одной или нескольких щеток в устройстве удерживаются в постоянном контакте с внутренней поверхностью обсадной колонны до необходимой глубины, на которую спускается устройство.

Как отмечено в патенте США №4896720, графа 3, строки 48-52, диапазон плотности корпуса щетки из эластичного пенополиуретана предпочтительно составляет от 8 до 10 фунтов на кубический фут. В отличие от этого, для исключения того, что корпус щетки из пенополиуретана выполнен из сжимаемой пены, плотность, подобранная в соответствии с настоящим изобретением, должна быть больше 10 фунтов на кубический фут, предпочтительно - по меньшей мере 12 фунтов на кубический фут при использовании в качестве материала корпуса щетки полиуретана.

Другой целью настоящего изобретения является создание новых усовершенствованных способов и устройства для очистки внутренней поверхности обсадной колонны ствола скважины, согласно которым устройство легче разбуривается, чем с использованием способов и устройств известного уровня техники.

Согласно изобретению создан узел, предназначенный для спуска в обсадную колонну скважины нефтяного месторождения, имеющую заданный внутренний диаметр, для очистки от обломков породы, находящихся внутри обсадной колонны, содержащий, по меньшей мере, один корпус щетки, состоящий из несжимаемого материала или жесткого материала; одну или несколько щеток, расположенных на, вблизи или внутри наружной поверхности корпуса щетки и имеющих размер, обеспечивающий контакт с внутренней поверхностью обсадной колонны при спуске узла в обсадную колонну скважины нефтяного месторождения, и, по меньшей мере, одну цементную пробку из эластомера, соединенную с корпусом щетки и имеющую размер, необходимый для очистки внутренней поверхности обсадной колонны, при спуске узла в обсадную колонну скважины нефтяного месторождения.

Корпус щетки может, по существу, состоять из материала, выбранного из класса, содержащего полиуретан высокой плотности, полиэтилен высокой плотности, полипропилен высокой плотности, нейлон, орлон, пластмассу высокой плотности, материалы на основе фенолоальдегидного полимера, жесткий каучук, алюминий, древесину и их комбинации.

Корпус щетки может содержать полиуретан, имеющий плотность, превышающую 10 фунтов на кубический фут.

Корпус щетки может содержать полиуретан, имеющий плотность, составляющую, по меньшей мере, 12 фунтов на кубический фут.

Согласно изобретению создан также способ очистки внутренней поверхности обсадной колонны скважины нефтяного месторождения, имеющей заданный внутренний диаметр, по меньшей мере, частично зацементированной в стволе скважины, содержащий спуск вышеописанного узла в обсадную колонну на заданную глубину в стволе скважины.

Эти и другие цели, признаки и преимущества настоящего изобретения будут лучше понятны при ознакомлении с прилагаемыми чертежами и нижеследующим подробным описанием.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 изображает вертикальный изометрический вид комбинации щетки и цементной пробки, соответствующей настоящему изобретению;

фиг.2 изображает вертикальный изометрический вид альтернативного варианта выполнения комбинации щетки и цементной пробки, соответствующей настоящему изобретению;

фиг.3 изображает вид поперечного сечения щетки по линии 3-3 на фиг.1;

фиг.4 изображает вид поперечного сечения по линии 4-4 на фиг.2;

фиг.5 изображает вертикальный изометрический вид альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения;

фиг.6 изображает вид поперечного сечения по линии 6-6 на фиг.5;

фиг.7 изображает вид сечения варианта осуществления изобретения, показанного на фиг.5, иллюстрирующий полосовую щетку в собранном виде;

фиг.8 графически изображает получение канала для прохождения по нему жидкости посредством внутреннего пространства одного из щеточных узлов, соответствующих настоящему изобретению;

фиг.9 изображает схематический вид узла, соответствующего настоящему изобретению, спускаемого через обсадную колонну.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения

На фиг.1 показан узел 10 щетки и цементной пробки, содержащий корпус 20 щетки и корпус 30 цементной пробки. Корпус 20 щетки имеет расположенную на его верхнем конце крышку 22, приваренную прихваточным швом к корпусу 20 щетки и имеющую пару пазов 24 и 26, ориентированных перпендикулярно друг другу. Крышка 22 зацепляется с буровым долотом (не показано) для разбуривания узла 10. В стенке корпуса 20 щетки просверлено множество отверстий заданного диаметра. Множество щетинок 28, которые обычно выполнены из множества отрезков стальной проволоки или подобного материала, приварено или приклеено во множестве колпачков соответственно, имеющих диаметр, который немного меньше заданного диаметра отверстий, просверленных в корпусе 20. После того, как щетинки помещены на место внутри колпачков, колпачки вдавливают в отверстия в корпусе 20 щетки обычно вручную для формирования посадки с трением между колпачками и отдельными отверстиями в боковой стенке корпуса 20 щетки.

На фиг.3 показан вид поперечного сечения по линии 3-3 на фиг.1, иллюстрирующий то, как колпачки вдавлены в боковую стенку корпуса 20 щетки. После того, как колпачки 21, каждый из которых содержит пучок 28 щетинок, вставлены в отверстия в боковой стенке корпуса 20, внутреннее пространство 23 корпуса 20 заполняют жидким уретаном, который затем затвердевает и удерживает каждый из колпачков 21 на месте внутри корпуса 20.

Узел 10 также включает обычную манжету 30 цементной пробки из эластомера, которая имеет множество кольцевых фланцевых частей 32, обычно выполненных из относительно жесткого, но деформируемого каучука или подобного материала, и включает металлическую цилиндрическую внутреннюю часть (не показана), которая снабжена внутренней резьбой (не показана) для соединения цементной пробки 30 со щеткой 20, которая имеет наружную резьбу 40, показанную на фиг.8.

На фиг.2 показан альтернативный вариант выполнения щеточной части узла, состоящего из щетки и цементной пробки, соответствующей настоящему изобретению. Узел 40 имеет обычную цементную пробку 30, имеющую фланцевые части 32, описанные выше со ссылками на фиг.1. Узел 40 также включает корпус 42 щетки и множество пучков щетинок 44. Каждый из пучков щетинок 44, как показано на фиг.2, предпочтительно вставлен во множество отверстий 42, сформированных в корпусе 40 щетки, как показано в сечении на фиг.4, выполненном по линии 4-4 на фиг.2. Центральная часть 46, показанная на фиг.4, может быть либо цельной, сплошной, либо заполненной уретаном или подобным материалом, если она не оставлена сплошной частью корпуса 40 щетки.

На фиг.5 показан еще один вариант выполнения узла 50, состоящего из щетки и цементной пробки. Узел 50 включает приваренную прихваточным швом крышку 22, описанную выше со ссылками на фиг.1 и 2, и расположенную на его нижнем конце обычную манжету 30 цементной пробки из эластомера, имеющую множество эластомерных фланцев 32.

Узел 50 имеет корпус 52 щетки и обычную полосовую щетку 54, проходящую витками вокруг корпуса 52 щетки и прикрепленную к корпусу щетки, как показано на фиг.6 и 7. На фиг.7 показан вид сбоку в сечении способа соединения полосовой щетки 54 с корпусом 52. Каждая полосовая щетка 54 проходит вокруг элемента 55 в форме стержня, и этот сборочный узел помещен внутрь выемки 56 в форме усеченной пирамиды в корпусе 52. Поскольку конфигурация в форме усеченной пирамиды имеет меньший размер в районе верхней поверхности, чем в районе нижней, полосовая щетка вставляется с торца способом, хорошо известным в области использования полосовых щеток.

На фиг.6 изображен вариант осуществления изобретения, соответствующий фиг.5, показанный в поперечном сечении, выполненном по линии 6-6, в котором корпус 52 имеет три заделанных в него кармана 56 в форме усеченной пирамиды, но здесь не показана сама полосовая щетка. Поскольку в вид сечения, показанный на фиг.6, не включена сама полосовая щетка, здесь также видна верхняя поверхность цементной пробки 30 из эластомера. Следует принимать во внимание, что центральная часть сечения, показанного на фиг.6, может быть сплошной, полой или заполненной уретаном или подобным материалом.

На фиг.8 показан вариант осуществления настоящего изобретения, в котором щетка 60, имеющая множество щеточных пучков 62 и концевую часть 40 с наружной резьбой для соединения с цементной пробкой из эластомера, имеет центральный канал 64, который может использоваться в соответствии с настоящим изобретением, если необходимо обеспечивать прохождение по нему жидкостей. Хотя канал 64 показан как не имеющий определенного профиля, отличного от имеющего параллельные стенки, как в прямой трубе, канал 64 может иметь различные профили, обеспечивающие прохождение по нему штанг, шаров или подобных средств для приведения в действие различных скважинных приспособлений, что хорошо известно в данной области техники.

Следует принимать во внимание, что корпуса 20 на фиг.1, 42 на фиг.2, 52 на фиг.5 и 60 на фиг.8 предпочтительно выполнены из пластмассы высокой плотности, такой как полиуретан высокой плотности, то есть полиуретан, имеющий плотность, превышающую 10 фунтов на кубический фут и предпочтительно, по меньшей мере, составляющую 12 фунтов на кубический фут, полиэтилен высокой плотности и т.п. Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления изобретения корпус щетки должен быть жестким и легче поддающимся разбуриванию, чем эластичный материал. Однако, вероятно, более важно то, что корпус щетки не должен быть сжимаемым. Если корпус сжимаемый, это будет приводить к тенденции отталкивания щетинок щетки от стенки обсадной колонны, как указано выше в отношении использования пенополиуретана, имеющего плотность в диапазоне от 8 до 10 фунтов на кубический фут. В качестве несжимаемого настоящее изобретение также рассматривает возможность выполнения прессованного корпуса из жесткого каучука с щетинками щетки, заделанными в жесткий каучук и удерживаемыми в таком каучуке любым средством, которое может использоваться, например, с использованием уретана во внутреннем пространстве корпуса щетки для удерживания щетинок на месте, как описано выше в отношении варианта осуществления изобретения, показанного на фиг.1.

Таким образом, изобретение предусматривает, что корпус щетки может быть выполнен из любого несжимаемого материала, такого как жесткая пластмасса или жесткий каучук, но в наиболее предпочтительном варианте предусматривает, что корпус щетки будет выполнен из такого жесткого материала, как твердая пластмасса.

На фиг.9 схематически изображен узел, соответствующий настоящему изобретению, в котором щетка 70, имеющая несжимаемый корпус 72 и ряд щетинок 74, которые имеют размер, обеспечивающий вхождение в контакт с внутренней окружностью стальной обсадной колонны 76, при помощи резьбы соединена с первой обычной цементной пробкой 78 из эластомера. Цементная пробка 78 также при помощи резьбы соединена со второй щеткой 80, которая также имеет корпус 82, выполненный из несжимаемого материала. Вторая щетка также при помощи резьбы соединена ее нижним концом со второй обычной цементной пробкой 84 из эластомера. Если необходимо, с нижним концом цементной пробки 84 при помощи резьбы может соединяться третья щетка (не показана), которая также имеет корпус из несжимаемого материала, для того, чтобы одна из щеток спускалась впереди цементной пробки 84. В дополнение к этому, если необходимо, щетки, показанные на фиг.9, а также цементные пробки из эластомера могут иметь отводные каналы для жидкости, как показано на фиг.8.

В ходе работы в верхний конец стальной обсадной колонны 76 через трубу 90 накачивают жидкость для спуска узла в обсадную колонну. Принимая во внимание, что обсадная колонна 76 является так называемой "эксплуатационной колонной", то есть в которой внутренний диаметр обсадной трубы остается одинаковым по всей длине от поверхности земли до конечной глубины, при накачивании жидкости по трубе 90 узел, состоящий из двух щеток и двух цементных пробок, подается вниз, в зону назначения. Если необходимо завершить скважину в пределах продуктивного горизонта 92, щетки и цементные пробки подают ниже продуктивного горизонта 92 для получения возможности спускать хорошо известную в данной области техники канатную перфорирующую систему после подачи щеток и цементных пробок в область, расположенную ниже продуктивного горизонта 92, и, таким образом, обеспечивать возможность перфорирования обсадной трубы 76 в области продуктивного горизонта 92, что хорошо известно в данной области техники.

Предусматривается, что узел, состоящий из щетки и цементной пробки, соответствующий настоящему изобретению, может использоваться тремя следующими путями.

1) При спуске длинных эксплуатационных обсадных колонн (обсадных труб одного размера от поверхности земли до конечной глубины) щетку прикрепляют к верхней цементировочной пробке и подают вниз впереди раствора для завершения скважины или морской воды в возможном случае. Подача щетки после цемента и впереди раствора для завершения скважины или морской воды устраняет необходимость в спуске скребка при "естественных завершениях". Когда цементные пробки сброшены, будет осуществляться монтаж канатной линии для спуска калиброванного кольца. При помощи калиброванного кольца определяют, прошел ли пакер весь путь до дна обсадной колонны без зависания. Если канат спущен без зависаний, необходимость в затаскивании спусковой колонны в буровую вышку для спуска бурильной трубы для очистки от цементного кольца отпадает. Это сэкономит день времени бурения, затрачиваемый на затаскивание труб, и плату за аренду спусковой колонны. Сама щетка должна быть выполнена из поддающегося разбуриванию материала для случая, когда цементные пробки не упали до конца и находятся в обсадной колонне высоко. Для разбуривания пробок потребуется монтаж спусковой колонны с буровым долотом, и, таким образом, требуется легко разбуриваемая комбинация щетки и цементной пробки.

2) Узел, состоящий из щетки и цементной пробки, будет также снабжен в соответствии с настоящим изобретением сквозным каналом, имеющим профиль, обработанный для приема одной или нескольких штанг или одного или нескольких шаров для спуска цементной пробки с подводного пускового устройства.

3) Узел, состоящий из щетки и цементной пробки, имеющий канал для циркуляции через цементную пробку, может быть приспособлен для спуска многих щеток при цементировании обсадных труб в грунте. Цементные пробки будут спускаться впереди цемента для содействия удалению отложений, буровой грязи и любых обломков породы, которые могут ухудшать связывание цемента с наружным диаметром стальной обсадной колонны, в необсаженной скважине.

Как отмечалось выше, корпус щетки предпочтительно выполнен из алюминия, твердой пластмассы, материалов на основе фенолоальдегидного полимера, каучука, углеродного волокна, уретана высокой плотности, полиэтилена высокой плотности и даже древесины. Главной причиной для спуска узла, состоящего из щетки и цементной пробки, является устранение необходимости в спусках спусковой колонны и скребков при естественных завершениях скважин, то есть когда давления низкие или в нормальном диапазоне, и когда оборудование для завершения скважин может спускаться на канате. Другой причиной для спуска узла, состоящего из щетки и цементной пробки, соответствующего настоящему изобретению, является сведение к минимуму времени очистки ствола скважины и сведение к минимуму количества чистящих химикатов, что, таким образом, сводит к минимуму загрязнение окружающей среды, которое в противном случае могло бы происходить.

Таким образом, важно, чтобы щетки, используемые в узле, состоящем из щеток с цементной пробкой, соответствующем настоящему изобретению, изготовлялись из несжимаемого материала, предпочтительно из жесткого материала, для обеспечения постоянного контакта с внутренней поверхностью стальной обсадной колонны с закачиванием узла вниз, на глубину, представляющую интерес.