Способ и устройство для регулирования скорости потока пластовых флюидов, добываемых из нефтяной скважины

1 Настоящее изобретение относится к способу закачивания, используемому при начале добычи из месторождения углеводородов, газа,воды или т.п., и, более точно, оно относится к средствам регулирования скорости потока добываемых флюидов из определенных зон нефтяной скважины или т.п. Как правило, пластовые флюиды, то есть углеводороды, воду и газ извлекают из месторождения с помощью ствола скважины, стенки которого закреплены с помощью механической обсадной колонны, прикрепленной посредством цементного раствора к стенке ствола скважины. В зонах, проходящих через подземные продуктивные пласты, обсадную колонну и слой цемента перфорируют для обеспечения сообщения пластовых флюидов с внутренним пространством скважины. Скважина обычно проходит через множество продуктивных зон различной толщины, и поэтому она имеет различные перфорированные зоны. Пластовые флюиды транспортируются к поверхности посредством насосно-компрессорной колонны. Насосно-компрессорная колонна сцентрирована относительно обсадной колонны и удерживается с помощью пакера, в результате чего обеспечивается возможность изоляции зоны добычи флюидов от верхней части скважины. Вследствие разнообразия грунтов и качества скальных пород, через которые проходит скважина, для различных перфорированных зон в скважине обычно характерна разная добыча,как с точки зрения дебита, так и с точки зрения качества добываемого флюида. Некоторые зоны могут обеспечивать больший дебит, чем другие,и/или отношение между количеством добываемых углеводородов и количеством получаемой воды может изменяться от одной зоны к другой. Таким образом, одна и та же скважина может иметь зоны, которые обеспечивают добычу 80% воды и 20% нефти, при этом вода и нефть протекают вместе со скоростью потока 500 баррелей/день (500 баррелей=79,3 м 3), в то время как соседняя зона может производить большее количество углеводородов, например 30% нефти,но при более низкой скорости потока. Поскольку скорость потока [дебит] зависит от перепада давлений между пластом и скважиной, при близости зоны с высокой скоростью потока существует тенденция уменьшения указанного перепада давления и, следовательно,минимизации количества фактически получаемого из зоны с более низкой скоростью потока. К сожалению, зоны с высокой скоростью потока часто представляют собой зоны, которые производят, главным образом, большие количества воды, или, более точно, минерализованной пластовой воды, которая не пригодна ни для какого использования, и которая должна быть отделена от углеводородов, и от которой необходимо избавиться, например, путем повторного закачивания в соседнюю скважину. Такая 2 нежелательная продукция скважины создает особые проблемы вследствие того, что она приводит к ограничению общей добычи [выхода] углеводородов. Также следует подчеркнуть, что скорости потока из продуктивных пластов и свойства пластовых флюидов из различных зон также изменяются за период эксплуатации скважины. Известны различные способы заделывания перфорационных отверстий, например, путем введения геля или цемента в зоны, подлежащие обработке, или путем размещения герметизирующей гильзы внутри обсадной колонны. Таким образом, были предложены трубчатые заготовки, предназначенные для установки их на место в то время, когда они находятся в сложенном состоянии, в котором они являются сравнительно компактными в радиальном направлении, и предназначенные для последующего раскладывания с целью получения цилиндрической формы, при этом наружный диаметр получаемого цилиндра близок к внутреннему диаметру обсадной колонны. Также известно, в частности, из публикации WO 94/25655, что трубчатая заготовка может быть образована оплеткой из гибких прядей, заделанных в смолу,которая может отверждаться, например, под действием тепла. Заготовка такого типа обеспечивает очень высокую степень расширения, в результате чего создается возможность введения заготовки через насосно-компрессорную колонну и, тем самым, минимизации стоимости капитального ремонта скважины и возобновления добычи. Недостатком всех этих способов является полное прекращение какой-либо добычи из зоны, подвергнутой обработке, что может отрицательно повлиять на общий дебит скважины. Таким образом, целью настоящего изобретения является разработка средств, предназначенных для регулирования скорости потока из зон, подлежащих обработке, но без устранения добычи из указанных зон. Изобретение позволяет достичь этой цели за счет того, что обеспечивается наложение трубчатой конструкции вдоль закрепленной обсадными трубами стенки ствола скважины в перфорированных зонах, подлежащих обработке, при этом данная трубчатая конструкция предотвращает протекание флюидов в прямом направлении, одновременно сохраняя траекторию потока, вдоль которой флюиды проходят через кольцевое пространство снаружи трубчатой конструкции для создания потери напора. В соответствии с изобретением также разработано устройство, предназначенное для уменьшения скорости потока пластовых флюидов, добываемых из определенной зоны подземной скважины, по существу, образованное расширяемой в радиальном направлении трубчатой конструкцией, приспособленной быть наложенной на внутреннюю поверхность об 3 садной колонны и снабженной средствами для обеспечения потока флюидов по траектории,проходящей вдоль обсадной колонны и вдоль трубчатой конструкции для создания потери напора. Другими словами, трубчатая конструкция по изобретению не предназначена для заделывания перфорационных отверстий обсадной колонны, а служит просто для замедления потока пластовых флюидов у подвергнутых обработке перфорационных отверстий. В варианте осуществления изобретения,который является более предпочтительным, эти средства для обеспечения потока образованы канавками, проходящими от центральной части наружной поверхности трубчатой конструкции по меньшей мере до одного из концов трубчатой конструкции, при этом данные канавки предпочтительно проходят по спирали или в виде зигзагообразных линий. В более предпочтительном варианте осуществления прототипом трубчатой конструкции является трубчатая конструкция, рассматриваемая в вышеупомянутой публикации WO 94/25655, и тем самым трубчатая конструкция образована оплеткой из гибких прядей, заделанных в способный к отверждению композиционный материал, и на своей наружной поверхности она имеет эластомерное покрытие,выполненное с канавками, образующими траекторию потока, проходящую от центральной части наружной поверхности, которая служит для того, чтобы закрыть перфорационные отверстия по меньшей мере до одного из концов трубчатого элемента. В завершение, в соответствии с изобретением также разработан способ установки устройства по изобретению на место в скважине. Другие детали и преимущества изобретения представлены в нижеследующем описании,приведенном со ссылкой на фигуры, на которых изображено следующее: фиг. 1 представляет собой схематичное осевое сечение нефтяной скважины, проходящей через две перфорированные зоны, одна из которых может быть подвергнута обработке посредством способа регулирования скорости потока по изобретению; фиг. 2 представляет собой схематичное изображение скважины, показанной на фиг. 1,после установки на место предназначенного для регулирования трубчатого элемента по изобретению; фиг. 3 представляет собой схематичное изображение предназначенного для регулирования трубчатого элемента по изобретению; фиг. 4 представляет собой более подробный вид сбоку предназначенного для регулирования трубчатого элемента перед его расширением; фиг. 5 показывает примеры профилей канавок; 4 фиг. 6 и 7 представляют собой схематичные изображения, показывающие операцию установки на место предназначенного для регулирования трубчатого элемента по изобретению. Фиг. 1 показывает типовую нефтяную скважину, для которой применение способа по изобретению может обеспечить определенные преимущества. Данная скважина образована посредством ствола 1 скважины, который в этом варианте проходит, по существу, вдоль вертикальной оси и стенка которого закреплена посредством металлической обсадной колонны 2,прикрепленной к стенке с помощью слоя цемента. Начиная от поверхности скважина проходит через большое количество типов геологических пластов, которые изолированы посредством обсадной колонны. В зонах, из которых можно добывать углеводороды, обсадная колонна и слой цемента,находящиеся в кольцевом пространстве между обсадной колонной и стенкой ствола скважины,перфорированы посредством зарядов взрывчатого вещества, чтобы вновь установить сообщение между пластом и скважиной и чтобы обеспечить возможность прохода флюидов из пластов Z1 и Z2 в скважину через перфорационные отверстия 3 и 4. Верхняя часть скважины изолирована от продуктивных зон с помощью пакера 5, который обеспечивает сохранение сцентрированного положения насосно-компрессорной колонны 6 в обсадной колонне 2, при этом насоснокомпрессорная колонна меньше обсадной колонны и обеспечивает перемещение флюидов,поступающих из пластов Z1 и Z2, к поверхности. В качестве примера можно указать, что обсадная колонна имеет средний диаметр, находящийся в диапазоне от 110 до 180 мм (от 4 дюйма до 7 дюймов), и насосно-компрессорная колонна имеет диаметр Dt, как правило, находящийся в диапазоне от 55 до 160 мм (от 2 дюйма до 6 дюйма). Часто продуктивные зоны имеют неравномерные скорости потока. Например, продуктивная зона Z1 может обеспечивать скорость потоr ка [дебит] F i, составляющую 500 баррелей/день(0,9 л/с) флюида, в состав которого входят 80% воды и 20% нефти, при этом в качестве движущей силы выступает перепад давлений между пластом и внутренним пространством скважины, составляющий приблизительно 100 фунтов/кв.дюйм (6,9 МПа), в то время как продуктивная зона Z2 обеспечивает скорость потоr ка f i, составляющую приблизительно 400 баррелей/день (0,7 л/с) флюида, в состав которого входят 30% воды и 70% нефти, при перепаде давлений такого же порядка величин. Для увеличения скорости потока из зоныZ2, которая более богата углеводородами, можно закрыть перфорационные отверстия зоны Z1. 5 Однако операции, выполняемые для заделывания перфорационных отверстий, не являются легко обратимыми, так что, вероятно, возникнут затруднения с доступом к зоне Z1 впоследствии, чтобы обеспечить возможность эффективной добычи из скважины до ее истощения. В соответствии с настоящим изобретением предлагается увеличить потерю напора в зонеZ1, представляющей меньший интерес, чтобы увеличить перепад давлений в зоне Z2, которая более богата углеводородами, но при одновременном поддержании определенного уровня добычи из зоны Z1. Это может быть достигнуто, как показано на фиг. 2, путем изменения направления потока из перфорационных отверстий зоны Z1 с тем,чтобы удлинить траекторию, по которой проходят пластовые флюиды, тем самым вызывая потерю напора. В показанном примере потерю напора обеспечивают путем установки трубчатого элемента 7 в зоне 21 и установки его таким образом, чтобы он плотно прилегал к стенке ствола скважины. Трубчатый элемент спроектирован таким образом, что утечка происходит через по меньшей мере один из его концов, при этом флюиды проходят между внутренней стенкой обсадной колонны и трубчатым элементом,так что после обработки зоны Z1 и Z2 обеспеr чивают соответствующие скорости потока F a иf a. Например, поток получают путем выполнения отводящих канавок на наружной поверхности трубчатого элемента. В том случае, когда трубчатый элемент имеет наружную поверхность, образованную покрытием из упругого материала типа резины, канавки могут быть образованы с помощью инструментов, которые обычно используются для восстановления первоначальной формы протекторов использованных шин. Если предположить, что пластовый флюид имеет относительную плотность 0,81 и динамическую вязкость 0,005 Пас, то можно показать,что четыре дренажные канавки, каждая из которых имеет ширину 4 мм, глубину 3,5 мм и длину 1 м, обеспечивают возможность создания перепада давлений приблизительно 50 фунтов/ кв.дюйм (0,35 МПа) в указанной зоне Z1 и что этот перепад давлений пропорционален длине дренажной канавки и обратно пропорционален количеству дренажных канавок. Таким образом, путем уменьшения скорости потока флюидов из продуктивной зоны Z1[дебита продуктивной зоны Z1] до приблизительно 100 баррелей/день обеспечивается возможность увеличения перепада давлений в зонеZ2, например, до приблизительно 200 фунтов/ кв.дюйм (1,4 МПа), что создает возможность достижения дебита для этой зоны, составляющего приблизительно 600 баррелей/день, что позволяет довести общий выход нефти, выда 004343 6 ваемой скважиной, до 440 баррелей/день, то есть увеличить его приблизительно на 15%, но прежде всего важно то, что объем попутно получаемой воды (которую необходимо отделить от нефти на поверхности) уменьшается в 2 раза, что позволяет существенно снизить себестоимость добычи баррелей нефти. В особо предпочтительном варианте осуществления изобретения, описанном ниже со ссылкой на фиг. 3 и 4, трубчатый элемент выполнен с двумя группами канавок: дренажными канавками 8, расположенными в центральной части трубчатого элемента, которая служит для того, чтобы закрыть перфорированную зону, и отводящими канавками 9, расположенными по меньшей мере в одной из концевых зон. Дренажные канавки имеют поперечное сечение, которое является достаточно большим,чтобы гарантировать то, что поток добываемых флюидов по существу не будет замедляться. Кроме того, канавки в образованной ими сетке предпочтительно расположены достаточно плотно, чтобы обеспечить хорошее поступление флюидов в отводящие канавки концевых зон. В концевых зонах канавки, как правило,выполнены с меньшими размерами, например менее глубокими. На фиг. 3 показано несколько примеров профилей канавок. В простейшем варианте (фиг. 5 А) канавки параллельны продольной оси трубчатого элемента. Однако этот вариант не является предпочтительным, если требуется большая потеря напора, поскольку в этом случае требуются трубчатые элементы с очень большой длиной, которые, следовательно,являются более дорогостоящими. Профили канавок, показанные на фиг. 5 В и 5D, представляют собой другие, более предпочтительные варианты: спиральные варианты(фиг. 5 В), канавки, образующие зигзагообразные линии (фиг. 5 С), или перекрещивающиеся канавки, например перекрещивающиеся спиральные канавки (фиг. 5D). Профилированная поверхность предусмотрена на трубчатом элементе, который в своем радиально не расширенном виде должен иметь радиальное сечение, размеры которого меньше размеров сечения обсадной колонны и предпочтительно даже меньше размеров сечения насосно-компрессорной колонны, в результате чего обеспечивается возможность выполнения обработки по изобретению без предварительного извлечения насосно-компрессорной колонны. Поэтому трубчатый элемент предпочтительно представляет собой вариант трубчатого элемента, раскрытого в публикации WO 94/25655, содержание которой включено в данную заявку путем ссылки. Таким образом, трубчатый элемент предпочтительно образован трубчатой конструкцией, снабженной оплеткой,образованной переплетающимися плоскими прядями или лентами, спирально намотанными,и заделанными в термоотверждающуюся смолу, 7 и удерживающимися между двумя упругими мембранами, изготовленными из эластомерного материала, при этом наружная мембрана образует покрытие, в котором сформированы дренажные канавки по изобретению. Например,пряди могут быть образованы из стекловолокон или предпочтительно из углеродных волокон. Предпочтительно наружная поверхность наружного покрытия выполнена с определенным количеством кольцевых выступов для обеспечения хорошего контакта с обсадной колонной. Фиг. 6 и 7 иллюстрируют операцию установки на место трубчатого элемента по изобретению. Сначала трубчатый элемент, пока он еще не расширен в радиальном направлении, вставляют в скважину через насосно-компрессорную колонну так, чтобы он разместился вблизи от зоны, имеющей перфорационные отверстия 3,подлежащие обработке. С этой целью трубчатый элемент соединяют с инструментом для укладки. Инструмент для укладки по существу образован головкой 10, имеющей надувной элемент 11, подвешенный к кабелю 12, содержащему средства для подвода электропитания и средства для накачивания, предназначенные для надувания головки и выпускания раздувающего материала из головки с помощью окружающих флюидов. Головка снабжена рядом резисторных элементов (не показанных). Показаны выполненное с канавками наружное покрытие 13 трубчатого элемента и его внутренняя часть 14,образованная оплеткой, заделанной в смолу, и трубчатый элемент прикреплен к головке с помощью хрупких соединительных элементов. После установки трубчатого элемента в заданное положение включают насос и головку постепенно надувают для крепления ее к стенке обсадной колонны, начиная с нижней части в направлении вверх с тем, чтобы обеспечить вытеснение любого флюида, имеющегося межу обсадной колонной и трубчатым элементом. Таким образом, расширение в радиальном направлении осуществляется за счет деформирования части, представляющей собой оплетку,так, что трубчатый элемент плотно прилегает к обсадной колонне. Как только головка и трубчатый элемент будут полностью развернуты,электрический ток подают к резисторным элементам головки для нагрева термоотверждающейся смолы трубчатого элемента, в результате чего происходит полимеризация данной смолы. После отверждения смолы таким образом насос используют для выпуска раздувающего материала из головки, так что головка и трубчатый элемент удаляются друг от друга после приложения тягового усилия к кабелю для разрушения хрупких соединительных элементов. После этого инструмент для укладки можно вернуть назад, то есть вверх к поверхности. 8 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ регулирования скорости потока пластовых флюидов, добываемых из определенной зоны подземной скважины, стенка ствола которой, закрепленная с помощью обсадной колонны, выполнена с отверстиями для прохождения пластовых флюидов, причем указанный способ состоит в наложении трубчатой конструкции на внутреннюю поверхность обсадной колонны в указанной зоне, причем данная трубчатая конструкция предотвращает протекание флюидов в прямом направлении при одновременном сохранении траектории потока, вдоль которой флюиды проходят через кольцевое пространство снаружи трубчатой конструкции для создания потери напора. 2. Способ по п.1, в котором указанная траектория является спиральной. 3. Устройство для регулирования скорости потока пластовых флюидов, добываемых из определенной зоны подземной скважины, стенка ствола которой закреплена с помощью обсадной колонны, выполненной с перфорационными отверстиями для прохождения пластовых флюидов через нее, образовано выполненной с возможностью расширения в радиальном направлении трубчатой конструкцией, способной быть наложенной на внутреннюю поверхность обсадной колонны и снабженной средствами для обеспечения потока флюидов по траектории, проходящей вдоль обсадной колонны и вдоль трубчатой конструкции для создания потери напора. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем,что средство для обеспечения потока флюидов образовано отводящими канавками, проходящими от центральной части наружной поверхности трубчатой конструкции по меньшей мере до одного из концов трубчатой конструкции. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем,что отводящие канавки расположены спирально. 6. Устройство по п.4, отличающееся тем,что отводящие канавки расположены в виде зигзагообразных линий. 7. Устройство по любому из пп.3-6, в котором в его центральной части, предназначенной для закрывания перфорированной зоны,трубчатая конструкция выполнена с дренажными канавками, предназначенными для приема поступающего потока. 8. Устройство по любому из пп.3-7, в котором трубчатая конструкция образована оплеткой из гибких прядей, заделанных в отверждающийся композиционный материал, и на своей наружной поверхности имеет эластомерное покрытие, в котором выполнены отводящие и дренажные канавки. 9. Способ установки устройства по любому из пп.3-8 на место в скважине, оснащенной 9 обсадной колонной и насосно-компрессорной колонной, включающий следующие операции: вставку через обсадную колонну инструмента для укладки, содержащую надувную головку, снабженную нагревательными элементами, покрытую трубчатой конструкцией и подвешенную к кабелю, содержащему средства для подвода электроэнергии и средства для накачивания; 10 надувание головки до достижения прилегания трубчатой конструкции к внутренней поверхности обсадной колонны; нагрев головки для полимеризации отверждающегося композиционного материала; выпуск [раздувающего материала] из головки при одновременном удержании трубчатого элемента на месте; извлечение инструмента для укладки из скважины.