Узел обсадной трубы с защитой внутреннего экрана от эрозии

1 Область техники Изобретение относится к обсадным трубам того типа, который используется в подземном бурении и откачке природных ресурсов, таких как нефть и газ. Предпосылки к созданию изобретения Мир по-прежнему в большой степени зависит от подземных природных ресурсов, таких как нефть и газ, для выработки энергии. С этой целью постоянно производится поиск усовершенствованных способов и устройств для извлечения текучих сред, таких как нефть и газ, из подземных формаций. Типичная нефтяная или газовая скважина включает удлиненную колонну обсадных труб,изготовленную из множества узлов обсадных труб, каждый из которых содержит как цилиндрическую внутреннюю трубу, так и концентрическую наружную деталь. Как наружная деталь,так и внутренняя труба имеют перфорации. Перфорации в наружной детали дают возможность перехода из породы в кольцевое пространство между наружной деталью и внутренней трубой. Внутренняя труба имеет экран, покрывающий ее перфорации, так что вещество в виде частиц, проникающее в среду, удаляется из среды перед тем, как среда пройдет из кольцевого пространства во внутреннюю трубу и направится по оси через внутреннюю трубу на поверхность для извлечения текучей среды. Перфорации на наружной детали обычно имеют достаточно большой размер, такой как 6,3 мм, чтобы не удерживать песок из породы. Перфорации такого размера обычно защищают внутреннюю деталь экрана, расположенную под перфорациями, от повреждений. Однако в некоторых породах острые выступы, такие как вздутия в сланце, могут вызвать повреждение нижележащего экрана, если они пройдут сквозь перфорации на наружной детали и деформируют часть поверхности экрана, вызывая расширение отверстий в нем. Это особенно важно, когда скважина наклонена под углом к вертикали или горизонтали, при этом наружная деталь воспринимает значительную нагрузку от стенки формации, когда она врезается в скважину. Более того, в случаях высокой скорости текучей среды, текучая среда, входящая в перфорацию наружной детали, может ударяться о центральные площади экрана с достаточной скоростью и силой, чтобы повредить экран. Для экрана, образованного стержнями и проволокой, например,слишком большая сила входящей текучей среды, содержащей частицы, приложенная к небольшой площади экрана, может вызвать расширение отверстий щелей, образованных проволокой. Такое расширение приведет не только к уменьшению эффективности экрана, но вызовет уменьшенный перепад давления на площади, и таким образом приведет к тому, что на проволоку натолкнется поток, содержащий даже большие частицы, тем самым производя 2 дальнейшее расширение отверстий и таким образом делая экран непригодным для тех целей,для которых он предназначен. Для того чтобы понизить энергию сил текучей среды, приложенных к экранам в узлах обсадных труб, было предложено, чтобы наружная деталь была снабжена щелями или отверстиями такой формы, чтобы вызвать перемещение текучей среды, проходящей радиально через отверстия, на короткое расстояние в осевом направлении до того, как она вновь пройдет радиально внутрь через деталь экрана. В этом отношении см. патент США 5624560, Волл и др. Однако конструкция, показанная в этом патенте, не относится к проблеме повреждения экранов, когда выступы подземных пород входят в перфорации и деформируют нижележащую поверхность экрана. Хотя в известном уровне техники описаны выполненные входные и выходные перфорации, расположенные со смещением по отношению к концентрическим трубам, как описано в патенте США 1604386,Байерли, расположение перфораций не изучено или не предлагается для защиты сит, расположенных внутри узлов обсадных труб. Следовательно необходимо и является целью настоящего изобретения создание устройства для защиты экранов обсадных труб от повреждений, вызываемых выступами и/или силами от текучей среды. Другой целью является создание улучшенного распределения потока в участках породы с высокими скоростями для уменьшения эрозии экранов обсадных труб. Краткое описание чертежей Вышеупомянутые и другие цели, отличительные характеристики и преимущества настоящего изобретения будут видны из следующего более подробного описания предпочтительных вариантов выполнений, показанных на прилагаемых чертежах, на которых номера ссылок относятся к одинаковым деталям на различных чертежах. Чертежи не обязательно должны быть выполнены в определенном масштабе,вместо этого следует обратить внимание на принципы изобретения, показанные на иллюстрациях.Фиг. 1 изображает вид сбоку в поперечном разрезе обсадной трубы в соответствии с первым вариантом выполнения изобретения; фиг. 1 А - вид сбоку в поперечном разрезе обсадной трубы в соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения, в котором используются устройства для регулирования потока в форме колец для регулирования потока между внутренней трубой и наружной деталью; фиг. 2 - вид в поперечном разрезе по линии 2-2 обсадной колонны, показанной на фиг. 1 А. Подробное описание чертежей В последующем описании в целях объяснения, но не ограничения, изложены отличительные характеристики, такие как конкретные конструкции, технологии и т.п. для обеспечения 3 полного понимания настоящего изобретения. Однако специалистам в этой области техники должно быть очевидно, что настоящее изобретение может быть осуществлено на практике в других вариантах выполнения, в которых имеются отклонения от этих отличительных характеристик. В других случаях подробные описания известных устройств и способов опускаются для того, чтобы не загромождать описание настоящего изобретения ненужными подробностями. На фиг. 1 показан узел 20 обсадной трубы в соответствии с конструктивным исполнением по настоящему изобретению. Узел 20 обсадной трубы включает как, по существу, цилиндрическую внутреннюю трубу 22, так и концентрическую наружную деталь 24 предохранительного кожуха, которая изображена как труба, но может иметь другие конфигурации, которая служит для защиты нижележащей детали экрана,когда узел обсадной трубы врезается в скважину. Как внутренняя труба 22, так и наружная деталь 24 проходит параллельно оси обсадной трубы 25. На внутренней стороне трубы 22 выполнен канал 26, через который текучая среда,такая как нефть или газ, может проходить в направлении, показанном стрелками 28. Обычно длина узла обсадной трубы 20 составляет 9-12 м. Узлы имеют резьбовые участки 22' на каждом конце, так что каждый узел может быть прикреплен к другому идентичному узлу муфтой 23. Во многих случаях колонна соединенных узлов обсадных труб может проходить на 600 м или более. Концы наружной детали 24 закреплены,например, посредством сварки, вокруг внутренней трубы 22 с помощью кольцевой втулки или детали крышки 32. Должно быть ясно, что могут быть использованы другие средства для размещения с промежутком и уплотнения наружной детали 24 вокруг внутренней трубы 22. Внутренняя труба 22 имеет первый ряд перфораций 40 вдоль ее длины для того, чтобы образовать первый отрезок 42 длины. Наружная деталь 24 имеет ряд отверстий или перфораций 50,выполненных в одном или более отрезков ее длины, предпочтительно во втором отрезке 52 длины, расположенном примыкающим к одному из ее концов, и третьем отрезке 52' длины,расположенном примыкающим к другому ее концу. Однако также можно использовать другие типы перфораций, такие как жалюзи. Отрезки 52, 52' длины параллельны оси 25 обсадной трубы, но проходят вдоль оси 25 обсадной трубы на протяжении только части длины обсадной трубы. В одном варианте исполнения каждый отрезок 52, 52' длины проходит приблизительно на 2,8 м и имеет перфорацию 50 в форме отверстий 6,3 мм, причем центры отверстий расположены на расстоянии 12,5 мм друг от друга как в продольном, так и в периферическом направлениях. В примере по фиг. 1 плотность перфо 001557 4 раций 50 находится в диапазоне от приблизительно 120 до 240 на метр длины. Как отмечено ранее, внутренняя труба 22 имеет ряд перфораций 40, выполненных в ней вдоль первого отрезка 42 длины. Так же как отрезки 52, 52' длины отрезок 42 длины параллелен оси 25 обсадной трубы и проходит вдоль оси 25 обсадной трубы на протяжении только части длины обсадной трубы. Однако как показано на фиг. 1, отрезок 42 длины смещен в осевом направлении по отношению к отрезкам 52,52' длины вдоль оси 25 обсадной трубы. В одном варианте исполнения отрезок 42 длины проходит приблизительно на 5,5 м, причем в нем имеются перфорации 40, каждая из которых имеет диаметр 12,5 мм. В примере по фиг. 1 плотность перфораций 40 находится в диапазоне от приблизительно 6 до 26 на метр длины. Внутренняя труба 22 имеет экран 60, концентрически закрепленный на нем вдоль отрезка 42 длины. Экран 60 образован множеством проходящих в осевом направлении стержней 62,которые покрыты спирально намотанной проволокой 64, приваренной к стержням в каждом пересечении. Проволока 64 обычно изготовлена с профилем в форме буквы V или клина, так что щель для потока, образованная в пространстве между примыкающими витками проволоки, не может быть забита частицами песка породы. Экран 60 закреплен на его противоположных концах к наружной периферии внутренней трубы 22 посредством прикрепляющих колец 66,по меньшей мере, одно из которых прикреплено к внутренней трубе 22, например, сваркой. Прикрепляющие кольца 66 имеют проходящую в осевом направлении наружную поверхность 67,которая имеет больший наружный диаметр, чем наружный диаметр экрана 60. Тот факт, что поверхность 67 имеет больший наружный диаметр, чем экран, приводит к тому, что текучая среда, проходящая над ним, которая протекает с высокой скоростью, отводится в сторону от поверхности экрана, таким образом понижая возможность того, что эта среда вызовет эрозию поверхности экрана. Увеличенная длина поверхности 67 также дает возможность кольцу 66 иметь кольцевое отверстие 68 в виде выемки,которое служит для контакта и удержания концов экрана 60. Как показано на фиг. 1, ряды перфораций 50 в наружной детали 24 смещены в осевом направлении от рядов перфораций 40 во внутренней трубе 22. Хотя степень смещения может отличаться в различных конструктивных исполнениях, как показано на фиг. 1, перфорации 40 и 50 значительно смещены, так что перфорации 40 и 50 не перекрываются вдоль оси 25 обсадной трубы. Фактически отрезки 52, 52' наружной детали 24, в которых выполненные перфорации 50 не перекрываются в осевом направлении отрезком 42 внутренней трубы 22, в которой выполнены перфорации 40 и поверх кото 5 рой смонтирован экран 60. Хотя был описан экран из витой проволоки, предполагается, что также могут быть использованы другие типы поверхностей экранов, такие как волокна агломерата, проволочная сетка или частицы агломерата. Хотя ряды перфораций 50 на наружной детали 24 могут быть расположены на одном конце наружной детали, в то время как перфорированный отрезок 42 длины внутренней трубы 22 может быть расположен на противоположном конце наружной детали, предпочтительным является расположение, показанное на фиг. 1, так как оно обеспечивает более короткий путь потока, входящего в перфорации, и также потому,что оно обеспечивает более равномерный доступ к среде в формации. Кроме того, когда перфорации 40 в наружной трубе 22 расположены в середине ее длины, неперфорированные и, таким образом, более прочные участки труб расположены на ее концах, где труба подвергается наибольшим крутящим и растягивающим усилиям. Как показано на фиг. 1, текучая среда из породы входит в узел 20 обсадной трубы сначала в основном в радиальном направлении через перфорацию 50. Среда затем проходит в осевом направлении вдоль кольцевых отрезков 52, 52' в направлениях, обозначенных стрелками 70, 70'. После достижения участка 42 текучая среда проходит, в основном, радиально внутрь через экран 60, как показано стрелкой 72. После этого текучая среда проходит через канал 26 в осевом направлении, обозначенном стрелкой 28. Из предыдущего описания видно, что конструкция узла 20 обсадной трубы по настоящему изобретению вызывает изменение направления потока текучей среды, таким образом уменьшая силу входящей текучей среды, приложенную к экрану 60, в то же время также значительно понижая ее скорость по сравнению со скоростью на входе в перфорацию 50. Более того, так как перфорации 50 расположены в шахматном порядке или смещены вдоль оси 25 обсадной трубы относительно экрана 60, экран 60 не подвержен повреждениям от внедрения выступов подземного рельефа через перфорации 50. Также самый прочный неперфорированный участок наружной детали 24 расположен поверх отрезка 42 для дополнительной защиты экрана 60. Вариант исполнения, показанный на фиг. 1 А отличается от варианта исполнения, показанного на фиг. 1, наличием устройств для регулирования потока в виде колец 80, 80' для регулирования потока. Кольца 80, 80' для регулирования потока расположены в кольцевом пространстве между внутренней трубой 22 и наружной трубой 24. Как показано на фиг. 2,кольца 80, 80' для регулирования потока имеют множество выполненных в них отверстий 82. Отверстия 82 дают возможность текучей среде 6 проходить параллельно оси 25 обсадной трубы. Благодаря наличию снабженных отверстиями колец для регулирования потока создается перепад давления, который создает равномерный поток, достигающий экрана 60 от площадей неравномерных потоков в формации тем самым создавая дополнительную защиту экрана от эрозии. Расчетным критерием колец 80, 80' для регулирования потока, которые обеспечивают равномерность потока через экран 60 и, таким образом, понижают эрозию, является создание скорости от около 1,5 до 6 м/с в отверстиях 82. Это превышает в 5-40 раз максимальную скорость в кольцевых пространствах 84, 84', образованных между наружной деталью 24 и основной или внутренней трубой 22. Эта скорость создает достаточное ограничение, чтобы рассеивать большие площади потока в скважине и не создавать проблем эрозии кольца. Например,при диаметре 10 см основной трубы 22, через которую в среднем проходит 9,54-19,08 м 3/день/м длины экрана общая площадь потока в отверстиях каждого кольца 80, 80' составит от 1,3 до 2,5 см 2. Эта площадь может быть получена использованием 16-32 отверстий диаметром 3,2 мм в каждом кольце для регулирования потока 80, 80'. В конкретном варианте исполнения наружный диаметр наружной детали 24 составляет 12 см и толщина ее стенки 3,2 мм. Наружный диаметр внутренней трубы 22 составляет 10 см и толщина ее стенки 9,5 мм. Ширина щелей (на чертеже не показаны) между витками проволоки 64, образующей поверхность экрана 60, составляет 0,15 мм. Предпочтительно, чтобы общая площадь потока на входе в перфорации 50 наружной детали 24 находилась между 5505100 см 2. Общая площадь потока на входе как для щелей экрана, так и для перфораций 40 предпочтительно была около 1920 см 2. Хотя изобретение конкретно показано и описано со ссылками на его предпочтительные варианты исполнения, специалистам в этой области техники должно быть понятно, что могут быть выполнены различные альтернативные формы и детали, не выходя из сущности и диапазона изобретения. Например, хотя конструкция, характерная для экрана 60, представляет собой экран с одинарной проволокой, должно быть понятно, что этим изобретением могут быть защищены другие типы экрана, включая экраны с витками из двойной проволоки и полуфабрикаты. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Узел (20) обсадной трубы для скважины,содержащий, по существу, цилиндрическую внутреннюю трубу (22), проходящую вдоль оси(25) обсадной трубы на всем протяжении длины узла обсадной трубы, и имеющую ряд перфораций (40), выполненных в ее поверхности вдоль 7 первого отрезка (42) длины оси обсадной трубы,по существу, цилиндрическую наружную деталь(24), отделенную радиальным промежутком от внутренней трубы (22), концентрически расположенную вокруг нее и проходящую вдоль оси(25) обсадной трубы, причем наружная деталь имеет ряд перфораций (50), выполненных в ее поверхности вдоль второго отрезка (52) длины оси обсадной трубы, экран (60), смонтированный поверх наружной периферической поверхности внутренней трубы и поверх ряда перфораций (40), выполненных во внутренней трубе,при этом первый отрезок (42) длины и экран(60), смонтированный поверх его поверхности,и второй отрезок (52) длины вдоль оси обсадной трубы, по существу, смещены относительно друг друга, отличающийся тем, что образовано открытое кольцевое пространство между наружной деталью (24) и внутренней трубой (22),посредством чего текучая среда, входящая в перфорации (50) в наружной детали, проходит в осевом направлении (70, 70'), по существу, беспрепятственным образом через открытое кольцевое пространство и затем через экран (60) с уменьшенной силой и значительно пониженной скоростью и через ряд перфораций (40) во внутренней трубе (22), которая расположена под экраном. 2. Узел обсадной трубы по п.1, в котором первый отрезок (42) длины и второй отрезок(52) длины, по существу, не перекрываются. 3. Узел обсадной трубы по п.1, дополнительно содержащий, по меньшей мере, один элемент (80) для регулирования потока, расположенный в кольцевом пространстве, образованном между наружной деталью (24) и внутренней трубой (22) на одном конце экрана (60),и содержащий отверстия (82) для обеспечения возможности прохождения потока в указанном осевом направлении (70, 70') от первого отрезка длины до второго отрезка длины. 4. Узел обсадной трубы по п.3, в котором проходные сечения потока в отверстиях (82) меньше, чем проходное поперечное сечение кольцевого пространства, которое выше по потоку, по меньшей мере, одного элемента (80) для регулирования потока, для создания перепада давления, приводящий к выравниванию потока текучей среды, достигающего экрана(60), тем самым дополнительно защищая экран от эрозии. 5. Узел обсадной трубы по п.1, в котором каждый конец внутренней трубы (22) имеет средство (22') для прикрепления узла обсадной трубы (20) к другому узлу обсадной трубы. 6. Узел обсадной трубы по п.1, в котором ряды перфораций (40), выполненные вдоль первого отрезка (42) длины внутренней трубы (22) 8 расположены на среднем участке длины внутренней трубы, и ряды перфораций (50), выполненные в наружной детали (24) вдоль второго отрезка (52) длины оси (25) обсадной трубы,расположены на одном конце длины наружной детали (24), которая, кроме того, содержит дополнительный ряд перфораций (50) вдоль третьего отрезка (52') длины, расположенного на втором конце наружной детали. 7. Узел обсадной трубы по п.6, в котором первый отрезок (42) длины, второй отрезок (52) длины и третий отрезок (52') длины, по существу, не перекрываются. 8. Узел обсадной трубы по п.7, в котором первый отрезок (42) длины имеет длину оси, по существу, равную объединенной длине второго отрезка (52) длины и третьего отрезка (52') длины. 9. Узел обсадной трубы по п.7, дополнительно содержащий пару элементов (80) для регулирования потока, расположенных в кольцевых пространствах, образованных между наружной деталью (24) и внутренней трубой (22) на каждом конце экрана (60), причем в этих элементах для регулирования потока выполнены отверстия (82) для обеспечения прохождения потока в указанном осевом направлении(70, 70') от второго отрезка (52) длины и третьего отрезка (52') длины до первого отрезка (42) длины. 10. Узел обсадной трубы по п.1, в котором экран закреплен на обоих его концах поверх наружной периферической поверхности внутренней трубы (22) посредством пары прикрепляющих колец (66), которые имеют наружный участок (67), больший по диаметру, чем наружная поверхность экрана (60), посредством чего текучая среда, проходящая поверх указанных колец (66), отводится от поверхности экрана(60). 11. Узел обсадной трубы по п.10, в котором каждое из прикрепляющих колец (66) имеет участок (68) в виде кольцевой выемки, расположенный под наружной частью (24), в который заходит и удерживается один участок конца экрана (60). 12. Узел обсадной трубы по п.10, в котором экран (60) содержит проходящие в продольном направлении опорные стержни (62),поверх которых спирально навита и приварена в каждом пересечении профилированная проволока (64).