Способ и установка для ступенчатого изменения потока текучей среды в скважине

1 Предшествующий уровень техники Изобретение относится к способу и установке для ступенчатого изменения потока текучей среды в скважине. Обычно поток текучей среды в скважине регулируется посредством эксплуатационной заслонки в устье скважины, тогда как в нисходящей скважине установлены предохранительные и/или испытательные клапаны, которые обычно могут переключаться между полностью открытым и полностью закрытым положением. Такие двухпозиционные клапаны в нисходящей скважине могут приводиться в действие пружинными механизмами, которые могут запускаться акустическими или гидравлическими импульсами так, что они не требуют подверженного износу электродвигателя и подачи электрической энергии, и контрольных кабелепроводов, которые трудно устанавливать и удалять, в частности, в комплексных скважинах со множеством боковых ответвлений. Современные газовые скважины испытываются путем прохода через скважину трех или четырех различных расходов и расчета так называемого общего поверхностного эффекта при каждом расходе. Указанный общий поверхностный эффект представляет собой сумму механического поверхностного эффекта (уменьшения проницаемости в связи с заполнением грязью,частичным проникновением и другими относительно постоянными факторами) и зависящего от скорости (или в котором не действует закон Дарси) поверхностного эффекта (что связано с турбулентностью или эффектами потока, в котором не действует закон Дарси). По данным расхода, полученным в процессе испытаний скважины, строится график зависимости общего поверхностного эффекта от расхода и рассчитывается поверхностный эффект, зависящий от скорости, как наклон линии,соответствующей этим данным. В этом процессе поток в каждом периоде должен достичь либо Псевдо Устойчивого Состояния (ПУС), которое известно как "стабилизированный" поток в литературе по испытаниям газовых скважин с 1950 до 1970 г., либо как Бесконечно Действующий Радиальный Поток(БДРП). Поскольку время, которое требуется для достижения БДРП, гораздо короче, чем время, которое требуется для достижения ПУС,наиболее экономичным способом является поток через скважину до тех пор, пока не будут достигнуты достаточные данные по БДРП, и затем изменение расхода до следующей величины расхода по программе испытаний. Подробности процессов испытаний газовой скважины при различных расходах для определения механического и зависящего от скорости поверхностного эффекта описаны в справочнике "Анализ современных испытаний скважин, подход с помощью компьютера", вто 003805 2 рое издание, автор R.N. Ноrnе, издание 1995,Petroway, Inc. Если изменение расхода от одного расхода до следующего создается эксплуатационным клапаном-заслонкой на поверхности, результатом высокой сжимаемости газа и большого объема трубопровода между Общей Глубиной (ОГ) скважины и заслонкой на поверхности является длительный период "хранения в буровой скважине" или "последующего потока" перед периодом БДРП. Для того, чтобы уменьшить период хранения в буровой скважине, в нисходящей скважине имеются испытательные клапаны для наращивания давления (в которых расход изменяется до расхода, равного нулю) с минимальным хранением в буровой скважине. Эти испытательные клапаны очень удачны и широко используются в настоящее время. Примерами этих двухпозиционных испытательных клапанов с дистанционным управлением являются электронные запорные устройства в нисходящей скважине, которые поставляются Halliburton Energy Services, Inc. под товарным знаком ETUX, и IRIS (товарный знакSchlumberger) - устройство с двумя клапанами,поставляемое Schlumberger Technical Services,Inc. В устройстве IRIS с двумя клапанами используются уровни давления в кольцевом пространстве для передачи сигналов с поверхности на переключение клапана между открытым и закрытым положением, и клапан ETUX включает компьютер для нисходящей скважины, чтобы процесс испытаний выполнялся по заданной программе. При наличии этих известных комплектов клапанов в нисходящей скважине и эксплуатационной заслонки с изменяемым положением все еще может требоваться значительное время для того, чтобы достичь БДРП и чтобы получить возможность стабилизировать добычу перед тем, как будет произведено следующее изменение расхода, в частности, в глубоких скважинах, и если поверхностные эффекты являются высокими. В типичных газовых скважинах глубиной 3000 м время, требуемое для достижения БДРП, может занимать 20 ч, и следующее изменение расхода не должно производиться вплоть до примерно 100 ч. Поэтому процессы испытаний скважин занимают значительное время, в продолжение которого добытый газ может сжигаться в факеле, и производятся значительные расходы на рабочую силу и материалы, в частности, если газ добывается на морских скважинах или в удаленных районах. Целью настоящего изобретения является облегчение решения проблем, связанных со способами испытаний согласно предшествующему уровню техники, и создание способа и установки для ступенчатого изменения потока текучей среды в скважине, которые позволяют 3 уменьшить время, требуемое для испытания скважины. Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа и установки для ступенчатого изменения потока текучей среды в скважине, которой не только можно управлять в процессе испытаний скважины, но которая постоянно или временно управляет нисходящей скважиной для того, чтобы регулировать расход из различных ответвлений скважины в основную буровую скважину той скважины, которая имеет множество боковых ответвлений. Сущность изобретения Согласно способу в соответствии с изобретением поток текучей среды в скважине изменяется ступенчато посредством комплекта клапанов в нисходящей скважине, которые могут переключаться между первым положением, в котором поток текучей среды пропускается, и вторым положением, в котором поток текучей среды задерживается, причем комплект клапанов содержит множество клапанов, каждый из которых содержит отверстие, через которое ограниченный поток текучей среды пропускается, когда клапан находится во втором положении. Предпочтительно, клапаны содержат отверстия, которые образуют различные ограничения потока, и при этом способ используется для определения свойств зависящего от скорости поверхностного эффекта вокруг входного участка газодобывающей скважины, и при этом во время выбранного периода времени первый клапан находится во втором положении, и каждый из клапанов находится в первом положении, причем за этим периодом следует другой выбранный период времени, во время которого второй клапан находится во втором положении,и каждый из других клапанов находится в первом положении. В этом случае также является предпочтительным, чтобы комплект клапанов содержал,по меньшей мере, три клапана, и при этом во время первого периода времени первый клапан,который имеет отверстие, которое образует большее ограничение потока, чем другие клапаны, удерживают во втором положении, а другие клапаны находятся в первом положении, за этим периодом времени следует второй период, во время которого второй клапан, который имеет отверстие, которое образует меньшее ограничение потока, чем первый клапан, но большее ограничение потока, чем другой клапан или клапаны, находится во втором положении, а другие клапаны находятся в первом положении, и за этим вторым периодом времени следует третий период времени, во время которого третий клапан, который имеет отверстие, которое образует меньшее ограничение потока, чем отверстия первого и второго клапанов, находится во втором положении, а первый и второй клапаны находятся в первом положении. 4 Обычно первый, второй и третий периоды времени имеют, по существу, одинаковую продолжительность, которая достаточна для того,чтобы достичь БДРП. Для большинства газовых продуктивных пластов эта продолжительность может быть в диапазоне между 0,5 и 50 ч и обычно между 1 и 20 ч. Изобретение также относится к установке для ступенчатого изменения потока текучей среды в скважине. Установка содержит комплект клапанов в нисходящей скважине, которые могут переключаться между первым положением, в котором поток текучей среды пропускается, и вторым положением, в котором поток текучей среды задерживается, причем комплект клапанов содержит множество клапанов, каждый из которых содержит отверстие,через которое проходит ограниченный поток текучей среды, когда клапан находится во втором положении. Предпочтительно, комплект клапанов установлен с возможностью извлечения в эксплуатационном трубопроводе, так что клапаны могут быть вставлены в скважину и извлечены из нее через внутреннюю часть трубопровода,при этом эксплуатационный трубопровод остается на месте. Это может быть выполнено путем установки клапанов на общем несущем корпусе,который может быть опущен в скважину через эксплуатационный трубопровод и который снабжен комплектом уплотнительных колец,которые могут быть установлены в соединительную втулку, чтобы герметично уплотнить кольцевое пространство между несущим корпусом и трубопроводом. Отмечено, что в патенте США 5447201 описано использование установленного постоянно в нисходящей скважине клапана, который может удерживаться в любом частично открытом положении, но такой клапан подвержен износу и требует использования электрических или гидравлических силовых кабелей, которые включают сложную и дорогую инфраструктуру скважины. В способе и установке согласно настоящему изобретению заслонками в нисходящей скважине можно управлять без проводов,например, путем использования контролируемого во времени или приводимого от импульса текучей среды механизма, и устанавливать этот механизм внутрь существующего трубопровода с использованием гладкого каната, который не содержит электрических или гидравлических кабелепроводов. Краткое описание чертежей Изобретение будет описано более подробно и посредством не ограничивающего изобретение примера со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых фиг. 1 является схематическим изображением комплекта клапанов согласно изобретению на дне эксплуатационного трубопровода внутри скважины для добычи газа; 5 фиг. 2 схематически изображает, как на расход добываемого газа влияет последовательная установка одного из четырех клапанов комплекта по фиг. 1 в первое, по существу, закрытое положение; и фиг. 3 изображает, как при комплекте клапанов согласно изобретению может быть достигнут БДРП в пределах примерно 10 ч, в то время как с традиционной заслонкой на поверхности достижение БДРП заняло бы вплоть до примерно 100 ч. На фиг. 1 показана нижняя часть скважины 1 для добычи газа, которая проходит через подземную газонесущую геологическую формацию 2. Скважина 1 содержит обсадную трубу 3 скважины, которая зацементирована внутри буровой скважины и снабжена рядом перфораций 4, через которые газ входит в буровую скважину, как показано стрелками 5. Эксплуатационный трубопровод 6 подвешен в скважине 1 и герметично прикреплен вблизи ее нижнего конца к обсадной трубе 3 скважины посредством эксплуатационного пакера 7. Комплект 8 клапанов содержит набор из четырех шаровых клапанов 8 А, 8 В, 8 С и 8D. Каждый из клапанов 8A-D показан в первом открытом положении, причем центральные отверстия 9 в корпусах 10 клапанов расположены на одной линии друг с другом и с центральным отверстием 11 несущего корпуса 12 клапана. Несущий корпус 12 клапана герметично и с возможностью снятия прикреплен внутри эксплуатационного трубопровода 6 посредством размещения выступа 13 в соединительной втулке и подвешен на наматывающем барабане в устье скважины (не показано) посредством стального каната 14. Если желательно, стальной канат 14 может быть снабжен кабелепроводами: электрическим или волокно-оптическим, силовым и/или для связи для того, чтобы подвести энергию к корпусам клапанов 8A-8D. Альтернативно, стальной канат 14 представляет собой только подъемный канат, cq. гладкий канат, и корпуса клапанов приводятся в действие пружинами и/или электронной системой в нисходящей скважине,которая приводится в действие потоком газа и/или электрической батареей в нисходящей скважине (не показана). Корпуса 10 клапанов, помимо центрального отверстия 9, также имеют отверстия 15A-D,которые пересекают центральное отверстие 9 соответствующего корпуса 10 клапана в перпендикулярном направлении. Отверстия 15A-D имеют цилиндрическую форму, причем отверстие 15 А самого верхнего клапана 8 А имеет наибольший диаметр, в то время как отверстие 15D самого нижнего клапана 8D имеет наименьший диаметр. Отверстие 15 В клапана 8 В имеет диаметр, больший, чем диаметры отверстий 15 С и D клапанов 8 С и 8D, 003805 6 но меньший диаметр, чем отверстие 15 А самого верхнего клапана 8 А. Когда должны быть проведены испытания газовой скважины 1, комплект 8 клапанов опускается через внутреннюю часть эксплуатационного трубопровода 6 путем разматывания стального каната 14 до тех пор, пока комплект 8 клапанов не разместится вблизи нижнего конца трубопровода 6. После этого комплект клапанов герметично прикрепляется внутри эксплуатационного трубопровода 6 путем установки выступа 13 в соединительную втулку. После этого разрешается начать добычу газа посредством открытия заслонки на поверхности (не показана) в устье скважины, в то время как клапаны 8A-D комплекта 8 клапанов находятся в первом открытом положении, как показано на фиг. 1. Затем, во время первой фазы I цикла испытания скважины первый самый нижний клапан 8D устанавливается во второе положение, в то время как остальные клапаны удерживаются в первом открытом положении. Как показано на фиг. 2, первая фаза I продолжается примерно 10 ч, что достаточно для того, чтобы скважина 1 достигла БДРП, как показано на фиг. 3. Нижеследующий пример основан на компьютерном моделировании эффектов комплекта испытательных заслонок в нисходящей скважине, в котором были сделаны следующие допущения:h - 30 м = толщина газонесущей геологической формацииg - 0,0198 сп = вязкость газа Сg - 4,2 Е-5 кПа-1 = сжимаемость газа Диаметр трубы - 9 см Глубина скважины - 3000 м Глубина расположения устройства - 2900 м На графике, показанном на фиг. 2, предполагается, что диаметр отверстия 15 А первого клапана составляет 3 см и что диаметры отверстий 15 В, 15 С и 15D второго, третьего и четвертого клапанов 8 В, 8 С и 8D составляют 2,5, 2 и 1,3 см. График, показанный на фиг. 2, показывает,что в указанных выше условиях давление pi в нисходящей скважине во время первой фазы I возрастает и расход потока газа QI уменьшается. На фиг. 3 изображено, что в примере, показывающем результат измерения давления датчиком давления в устье скважины, в отсутствие газа в колонне длиной 2900 м и объемом 1/40,0922900=18,4 м 3 ответная реакция скважины 1 с заслонкой в нисходящей скважине,что представлено кривой 20 давления, происходит гораздо быстрее, чем если бы добыча скважины была уменьшена при помощи заслонки на 7 поверхности, что представлено кривой 21 давления, и что соответственно время, требуемое для достижения БДРП, уменьшается со 100 до 10 ч. Обратимся снова к фиг. 1 и 2. Когда скважина достигла БДРП после примерно 10 ч, вторая фаза испытаний II начинается посредством установки четвертого самого нижнего клапана 8D снова в первое открытое положение и одновременной установки третьего клапана 8 С во второе положение, в то время как первый и второй клапаны 8 А и 8 В удерживаются в первом открытом положении. Диаметр отверстия 15 С составляет 2 см,что больше, чем диаметр отверстия четвертого клапана 8D, так что во время второй фазы II давление в нисходящей скважине рII уменьшается, а добыча газа QII возрастает. Когда достигается БДРП после примерно 10 ч, вторая фаза испытаний II заканчивается, и третья фаза испытаний III начинается посредством установки второго клапана 8 В во второе положение и установки других клапанов 8 А, 8 С и 8D в первое открытое положение. Поскольку отверстие 15 С третьего клапана 8 С составляет 2,5 см, что больше, чем диаметры отверстий третьего и четвертого клапанов 8 С и 8D, давление в нисходящей скважине pIII уменьшается, в то время как расход добываемого газа QIII увеличивается дальше. Когда БДРП достигается снова после примерно 10 ч, третья фаза испытаний III заканчивается, и четвертая фаза испытаний IV начинается посредством установки первого клапана 8 А во второе положение и установки второго,третьего и четвертого клапанов 8 В, 8 С и 8D в первое открытое положение. Поскольку отверстие 15D в корпусе 10 клапана четвертого клапана 8D составляет 3 см,что больше, чем диаметры отверстий 15 А-С других клапанов 8 А-С, давление в нисходящей скважине PIV будет уменьшаться дальше, в то время как расход добываемого газа QIV будет увеличиваться дальше. Когда БДРП будет снова достигнут после примерно 10 ч, четвертая фаза испытаний IV заканчивается, и клапан нисходящей скважины закрывается, так что поток газа Q0 прерывается и давление Р 0 увеличивается до тех пор, пока оно не достигнет давления в продуктивном пласте, и затем комплект 8 клапанов возвращается на поверхность. Как можно увидеть на фиг. 2, четыре фазыI-IV всего цикла испытаний скважины занимают в общем примерно 40 ч. Если скважина будет оборудована традиционной заслонкой на поверхности и одним клапаном в нисходящей скважине, который закрывается для наращивания давления, когда положение заслонки на поверхности изменяется, общий цикл испытаний будет занимать око 003805 8 ло 400 ч. Таким образом, время испытаний уменьшается примерно на 90% путем использования комплекта 8 клапанов в соответствии с изобретением. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ ступенчатого изменения потока текучей среды в скважине посредством комплекта клапанов в нисходящей скважине, которые выполнены с возможностью переключения между первым положением, в котором поток текучей среды пропускают, и вторым положением, в котором поток текучей среды задерживают, причем комплект клапанов содержит множество клапанов, каждый из которых содержит отверстие, через которое пропускают ограниченный поток текучей среды при нахождении клапана во втором положении. 2. Способ по п.1, в котором клапаны содержат отверстия, образующие различные ограничения потока, причем используют способ определения свойств зависящего от скорости поверхностного эффекта вокруг входного участка газодобывающей скважины, при этом в течение выбранного периода времени первый клапан находится во втором положении, и каждый из других клапанов находится в первом положении, за этим периодом следует другой выбранный период времени, в течение которого второй клапан находится во втором положении, а каждый из других клапанов находится в первом положении. 3. Способ по п.2, в котором комплект клапанов содержит, по меньшей мере, три клапана,причем в течение первого периода времени первый клапан, который имеет отверстие, образующее большее ограничение потока, чем другие клапаны, удерживают во втором положении,а другие клапаны находятся в первом положении, за этим периодом времени следует второй период, в течение которого второй клапан, который имеет отверстие, образующее меньшее ограничение потока, чем первый клапан, но большее ограничение потока, чем другой клапан или клапаны, находится во втором положении, а другие клапаны находятся в первом положении,и за этим вторым периодом времени следует третий период времени, в течение которого третий клапан, который имеет отверстие, образующее меньшее ограничение потока, чем отверстия первого и второго клапанов, находится во втором положении, а первый и второй клапаны находятся в первом положении. 4. Способ по п.3, в котором первый, второй и третий периоды времени имеют, по существу,одинаковую продолжительность, которая составляет между 0,5 и 50 ч. 5. Способ по п.4, в котором продолжительность составляет между 1 и 20 ч. 6. Установка для ступенчатого изменения потока текучей среды в скважине, содержащая комплект клапанов в нисходящей скважине,которые выполнены с возможностью переключения между первым положением, в котором поток текучей среды пропускается, и вторым положением, в котором поток текучей среды задерживается, причем комплект клапанов содержит множество клапанов, каждый из которых содержит отверстие, через которое ограниченный поток текучей среды пропускается при нахождении клапана во втором положении. 7. Установка по п.6, в которой клапаны установлены в общем несущем корпусе, который выполнен с возможностью опускания в скважину через эксплуатационный трубопровод и который снабжен выступом, помещаемым в соединительную втулку для уплотнения кольцевого пространства между несущим корпусом и трубопроводом. 10 8. Установка по п.7, в которой клапаны имеют отверстия для расположения корпусов клапанов с возможностью поворота, причем отверстия образуют продольный проход для текучей среды через центр несущего корпуса. 9. Установка по п.8, в которой клапаны представляют собой шаровые клапаны, каждый из которых имеет первое отверстие и второе отверстие, которое ориентировано в направлении, перпендикулярном к первому отверстию, и которое меньше, чем первое отверстие. 10. Установка по п.9, в которой несущий корпус имеет на себе, по меньшей мере, четыре клапана, каждый из которых имеет второе отверстие, которое образует ограничение потока,отличающееся от ограничений потока, образованных вторыми отверстиями других клапанов.