Способ и скважинный инструмент для гравийной набивки скважины с использованием маловязких жидкостей

1 Предпосылки создания изобретения Настоящее изобретение относится к гравийной набивке ствола скважины и в одном из своих аспектов относится к способу и скважинному инструменту для гравийной набивки длинного интервала в стволе скважины с использованием маловязкой жидкости, обеспечивающим хорошее распределение гравия по всему интервалу. При добыче углеводородов и т.п. из слабо уплотненных и/или трещиноватых подземных пород не является необычным добыча больших объемов дисперсного материала (например,песка) наряду с пластовыми текучими средами. Как хорошо известно, эти твердые частицы обычно создают ряд проблем и должны находиться под контролем для того, чтобы добыча оставалась экономичной. Наиболее распространенным способом, используемым для контроля за добычей песка из продуктивного пласта, вероятно, является тот способ, который широко известен как гравийная набивка. При обычном заканчивании скважины с применением гравийной набивки фильтр и т.п. опускают в ствол скважины и устанавливают вблизи интервала скважины, который подлежит заканчиванию. Дисперсный материал, обобщенно называемый гравием, затем в виде суспензии закачивают вниз в спусковую колонну, и он выходит выше фильтра через переходник и т.п. в кольцевое пространство ствола скважины вокруг фильтра. Жидкость в суспензии теряется в породу и/или через отверстия в фильтре, что приводит к осаждению или отфильтровыванию гравия в кольцевом пространстве вокруг фильтра. Гравий имеет такой размер частиц,чтобы он образовывал проницаемую массу или набивку между фильтром и продуктивным пластом, которая, в свою очередь, допускает поток добываемых текучих сред через нее и в фильтр, при этом по существу блокируя поток любого дисперсного материала через нее. Главной проблемой, связанной с гравийной набивкой, особенно при необходимости заканчивания длинных или наклонных продуктивных интервалов, является обеспечение хорошего распределения гравия по всему заканчиваемому интервалу. А именно, если гравий не будет равномерно распределен по всему заканчиваемому интервалу, то гравийная набивка не будет однородной и будет содержать в себе пустоты, которые уменьшат ее эффективность. Плохое распределение гравия по интервалу часто вызвано преждевременной потерей жидкости из гравийной суспензии в породу во время размещения гравия. Эта потеря жидкости может вызвать образование песчаных перемычек в кольцевом пространстве ствола скважины до распределения всего гравия в этом кольцевом пространстве. Эти перемычки преграждают дальнейший поток суспензии через кольцевое пространство ствола скважины, тем самым пре 004566 2 пятствуя размещению достаточного количества гравия ниже перемычки при операциях набивки сверху вниз и выше перемычки при операциях набивки снизу вверх. Недавно были разработаны скважинные инструменты, которые обеспечивают хорошее распределение гравия по всему желаемому интервалу даже тогда, когда песчаные перемычки образуются в кольцевом пространстве ствола скважины до осаждения всего гравия. Эти инструменты (например, скважинные фильтры) содержат множество альтернативных путей проникновения потока (например, шунтов или перфорированных труб), которые проходят вдоль фильтра и принимают гравийную суспензию при ее вхождении в кольцевое пространство ствола скважины. Если песчаная перемычка будет образовываться до размещения всего гравия, то суспензия будет направляться в обход песчаной перемычки и будет вытекать через шунтовые трубы на разных уровнях в кольцевом пространстве ствола скважины, чтобы тем самым завершать гравийную набивку кольцевого пространства выше и/или ниже перемычки. Для получения более полной информации о таких скважинных инструментах см. патенты США 4945991, 5082052, 5113935, 5515915 и 6059032. Скважинные инструменты, имеющие альтернативные пути проникновения потока, как например, те, которые описаны выше, оказались успешными при заканчивании сравнительно длинных интервалов ствола скважины (т.е. 100 футов или более) за одну операцию. При таких операциях жидкость-носитель в гравийной суспензии обычно состоит из высоковязкого геля. Однако часто полезно использовать маловязкие жидкости (например, воду, маловязкие гели и т.п.) в качестве жидкости-носителя для гравийной суспензии, так как такие суспензии являются менее дорогими, наносят меньший вред продуктивному пласту, легче отдают гравий, чем те суспензии, которые образованы с применением более вязких гелей и т.д. Однако, к сожалению, использование маловязких суспензий может создавать некоторые проблемы, когда они применяются в связи с фильтрами с альтернативными путями при гравийной набивке длинных интервалов ствола скважины. Это обусловлено, в основном, тем,что маловязкая жидкость-носитель преждевременно теряется через расположенные друг от друга выпускные отверстия (т.е. перфорации) в шунтовых трубах, что тем самым вызывает забивание песком самой шунтовой трубы или труб у одного или нескольких отверстий в ней, а это, таким образом, приводит к блокированию дальнейшего потока суспензии через закупоренную шунтовую трубу. Когда это случается,то не может быть никакой гарантии того, что суспензия будет доставлена на все уровни в пределах интервала, в котором осуществляется 3 гравийная набивка. Сущность изобретения Согласно настоящему изобретению предлагаются способ и скважинный инструмент для гравийной набивки заканчиваемого интервала в стволе скважины, которые обеспечивают хорошее распределение гравия по интервалу с использованием гравийной суспензии, имеющей маловязкую жидкость-носитель, например, воду. Инструмент согласно настоящему изобретению, предназначенный для гравийной набивки,в основном, состоит из скважинного фильтра,который имеет, по меньшей мере, один путь проникновения потока, проходящий вдоль фильтра. Альтернативный путь проникновения потока первоначально закрыт для потока посредством клапанного средства, которое выполнено с возможностью открываться при заранее определенном давлении. Когда в кольцевом пространстве ствола скважины вблизи заканчиваемого интервала образуется песчаная перемычка, увеличивается давление на закачиваемую суспензию и открывается клапанное средство, что дает возможность суспензии течь через альтернативный путь проникновения для завершения гравийной набивки заканчиваемого интервала. Конкретнее, инструмент для гравийной набивки состоит из фильтра, который посредством спусковой колонны размещают вблизи заканчиваемого интервала. Предпочтительно вдоль фильтра располагать множество альтернативных путей проникновения потока (т.е. неперфорированных или не имеющих боковых отверстий шунтовых труб) различной длины. Каждая из труб открыта на своем верхнем конце для образования впускного отверстия и открыта на своем нижнем конце для образования выпускного отверстия. У впускного отверстия каждой трубы помещено клапанное средство, например, разрывной диск, обратный клапан и т.п., чтобы первоначально блокировать поток через него. Каждое клапанное средство выполнено с возможностью открывания при отличающемся давлении, так что трубы будут одна за другой открываться по мере того, как в кольцевом пространстве ствола скважины будут последовательно образовываться песчаные перемычки, которые, в свою очередь, вызывают увеличение давления на закаченную суспензию в кольцевом пространстве ствола скважины. Используя не имеющие боковых отверстий шунтовые трубы (т.е. неперфорированные по их длине) различной длины и только с одним выпускным отверстием (т.е. с открытым нижним концом), можно подавать суспензию на разные уровни в пределах заканчиваемого интервала. Благодаря возможности использования шунтовых труб без боковых отверстий уменьшается риск забивания песком конкретной трубы у отверстий, расположенных на расстоянии друг от друга по ее длине. Кроме того, благодаря то 004566 4 му, что каждая труба первоначально закрыта для потока, поток маловязкой жидкости через конкретную шунтовую трубу будет происходить только после образования песчаной перемычки в кольцевом пространстве ствола скважины и значительного увеличения давления в этом кольцевом пространстве. Это приводит к более высокой скорости потока через открытую теперь шунтовую трубу, что весьма полезно для сохранения суспендирования гравия в маловязкой жидкости-носителе, когда суспензия течет по трубе. Краткое описание чертежей Реальная конструкция, принцип действия и очевидные преимущества предмета настоящего изобретения будут лучше понятны посредством ссылки на чертежи, которые необязательно изображены в масштабе, на которых одинаковыми позициями обозначены одинаковые части и на которых показано следующее: фиг. 1 изображает вид в разрезе устройства согласно настоящему изобретению в рабочем положении в стволе скважины и вблизи интервала, подлежащего набивке гравием согласно настоящему изобретению; фиг. 2 - вид в разрезе по линии 2-2 на фиг. 1; фиг. 3 - частичный вид в разрезе верхнего конца шунтовой трубы устройства, показанного нафиг. 1, изображающей один тип клапанного средства, используемого в настоящем изобретении; фиг. 4 - частичный вид в разрезе верхнего конца другой шунтовой трубы устройства, показанного на фиг. 1, изображающей другой тип клапанного средства, используемого в настоящем изобретении. Хотя изобретение будет описано в связи с предпочтительными вариантами его осуществления, понятно, что это изобретение не ограничивается ими. Наоборот, изобретение, как предполагается, охватывает все альтернативы, модификации или эквиваленты, которые могут находиться в пределах изобретения и не отклоняться от его сущности, как они определены в прилагаемой формуле изобретения. Подробное описание изобретения На фиг. 1 показана нижняя часть продуктивной/нагнетательной скважины 10, имеющей ствол 11, проходящей от поверхности (не показана) через продуктивный/нагнетательный пласт 12. Как показано, ствол скважины 11 укреплен обсадной трубой 13 и цементом 14, имеющими сквозные отверстия 15 для установления гидравлического сообщения между пластом 12 и внутренним пространством обсадной трубы 13. Хотя скважина 10 показана на фиг. 1, как имеющая по существу вертикальный обсаженный ствол, следует признать, что настоящее изобретение в равной степени может быть использовано при заканчивании скважин с необсаженным стволом и/или со стволом, расширенным раздвижным буровым расширителем, а 5 также в наклонных и/или горизонтальных стволах скважин. Инструмент 20 для гравийной набивки согласно настоящему изобретению устанавливают в стволе скважины 11 вблизи заканчиваемого интервала в пласте 12 так, чтобы он образовывал кольцевое пространство 19 с обсадной трубой 13. Инструмент 20 состоит из фильтра 21,имеющего переходной переводник 22, который соединен с его верхним концом и, в свою очередь, подвешен с поверхности на лифтовой или спусковой колонне (не показана). Термин фильтр, используемый в данном описании и формуле изобретения, обозначает и охватывает любой и все типы проницаемых устройств, которые обычно применяются в промышленности при операциях гравийной набивки и которые допускают поток жидкостей через них, в то время как преграждая поток твердых частиц(например, имеющиеся на рынке сетчатые фильтры, снабженные щелевидными отверстиями или перфорированные фильтры или трубы, перфорированные трубы с фильтрующей сеткой, каркасные трубы с проволочной обмоткой, сетчатые фильтры и/или нижние трубы эксплуатационной обсадной колонны с заранее образованным гравийным фильтром и их сочетания). Фильтр 21 может быть выполнен непрерывным или может состоять из секций (например, тридцати футовых секций), которые соединены вместе переводниками и/или сплошными трубами. По длине инструмента 20 расположены альтернативные проводящие средства 25, которые, как показано на фиг. 1 и 2, состоят из множества сравнительно небольших (т.е. диаметром от 1 до 1-1/2 дюйма или меньше) сплошных каналов, т.е. неперфорированных шунтовых труб 25 а, 25b, 25c, 25d различной длины, радиально разнесенных вокруг инструмента 20 и проходящих продольно по его длине. Эти шунтовые трубы могут быть круглыми в поперечном сечении (например, трубы 25 а, 25 с) или принимать другие формы поперечного сечения (например,по существу прямоугольное поперечное сечение, как у труб 25b, 25d на фиг. 2). Каждая шунтовая труба открыта на своем верхнем конце с образованием впускного отверстия для приема гравийной суспензии, как это будет объяснено ниже, и открыта на своем нижнем конце с образованием выпускного отверстия из нее. Кроме того, шунтовые трубы 25 а, 25b, 25c, 25d могут быть расположены снаружи фильтра 21, как это показано на фигурах, или они могут быть расположены внутри фильтра, как это показано в патенте США 5515915. Благодаря различной длине шунтовых труб 25 а, 25b, 25c, 25d гравийная суспензия,протекающая через соответствующие шунтовые трубы, будет во время гравийной набивки подаваться на разные уровни в кольцевом пространстве 19. В тех случаях, когда интервал, подвер 004566 6 гающийся гравийной набивке, расположен в горизонтальном стволе скважины и т.п., используемый здесь термин уровень служит для обозначения относительных боковых положений в стволе скважины. Инструмент 20, описываемый до этого момента, как по конструкции, так и по принципу действия сходен с известными из уровня техники, имеющими альтернативные пути фильтрами этого типа, см. патент США 5113935. В инструментах этого типа шунтовые трубы обычно перфорированы по их длине для образования расположенных на расстоянии друг от друга выпускных отверстий, через которые суспензия подается на разные уровни в интервале, подвергающемся гравийной набивке. Эти инструменты обычно используют для распределения суспензий, которые в качестве жидкости-носителя имеют сравнительно высоковязкие гели и которые оказались весьма удачными при таком использовании. Однако могут возникнуть проблемы, когда эти известные из уровня техники инструменты используют для распределения суспензий, образованных маловязкими жидкостями-носителями. Используемый здесь термин маловязкий служит для обозначения жидкостей, которые обычно применяют для этой цели и которые имеют вязкость 30 сантипуаз или меньше (например, вода, маловязкие гели и т.п.). Во время течения суспензии по трубам жидкостьноситель благодаря своей малой вязкости может быстро теряться у одного или нескольких расположенных на расстоянии друг от друга отверстий в шунтовых трубах инструментов, известных из предшествующего уровня техники. Эта быстрая потеря маловязкой жидкости-носителя из суспензии создает реальную угрозу того, что одна или несколько труб могут быть быстро забиты песком у тех отверстий, где происходит быстрая потеря жидкости, что тем самым приводит к блокированию дальнейшего потока суспензии через эту трубу. Так как кольцевое пространство ствола скважины уже может быть закупорено песчаной перемычкой, то закупоренная шунтовая труба или трубы будут препятствовать дальнейшей подаче суспензии на разные уровни в кольцевом пространстве ствола скважины, что, таким образом, приведет к плохой набивке заканчиваемого интервала. Инструмент 20 согласно настоящему изобретению способен обеспечить хорошее распределение гравия по длинному, и/или наклонному, и/или горизонтальному заканчиваемому интервалу даже тогда, когда для образования гравийной суспензии используют маловязкую жидкость-носитель. Для этого вначале преграждают поток через каждую из шунтовых труб 25 а, 25b посредством клапанного средства 31,которое расположено наверху или вблизи верха каждой соответствующей шунтовой трубы. В качестве клапанного средства 31 может быть 7 клапан любого типа, который будет перекрывать поток в закрытом положении и открываться при заранее определенном давлении. Например, клапан 31 может состоять из диска 31 а(фиг. 3), который расположен во впускном отверстии шунтовой трубы 25b и который будет разрываться при заранее определенном давлении, открывая шунтовую трубу для потока через нее. Другим примером клапанного средства 31 является обратный клапан 31b, который расположен во впускном отверстии шунтовой трубы 25 а (фиг. 4). Клапан 31b содержит шаровой элемент 33, обычно поджатый в закрытое положение на седле 34 под действием пружины 35, выполненной с учетом давления, при котором клапан будет открываться. Клапанные средства 31 предпочтительно изготавливают в виде отдельных элементов, которые затем прикрепляют к верхним частям соответствующих шунтовых труб посредством любых подходящих средств,например, сварными швами (фиг. 4), резьбовыми соединениями (не показаны) и т.д. Каждое клапанное средство 31 предпочтительно выполнено для открывания при давлении, отличающемся от давлений, при которых будут открываться другие клапанные средства. А именно, клапанное средство 31 на самой короткой шунтовой трубе (например, трубе 25 а на фиг. 1) будет открываться при наименьшем соответствующем давлении открывания, клапанное средство 31 на следующей самой короткой трубе 25 с будет открываться при более высоком давлении открывания и так далее до клапанного средства 31 на самой длинной трубе 25b, открывающегося при наибольшем соответствующем давлении открывания; причина этого будет объяснена ниже. Для осуществления способа согласно настоящему изобретению инструмент 20 для гравийной набивки опускают в ствол скважины 11 и располагают вблизи интервала 12. Пакер 30 устанавливают способом, известным специалистам в данной области. Все шунтовые трубы 25 на своих соответствующих верхних концах будут закрыты для потока соответствующими клапанными средствами 31. Суспензию (показана жирными стрелками 40 на фиг. 1), состоящую из маловязкой жидкости-носителя и гравия (например, твердых частиц типа песка и т.п.), закачивают вниз по спусковой колонне,через выпускные отверстия 28 в переводнике 22 и в верхний конец кольцевого пространства 19,которое окружает инструмент 20 на всем протяжении заканчиваемого интервала 12. Термин маловязкий, используемый здесь, также охватывает жидкости, которые обычно используют в качестве жидкостей-носителей и которые имеют вязкость 30 сантипуаз или менее (например,вода, маловязкие гели и т.п.). Когда суспензия 40 течет через кольцевое пространство 19, жидкость-носитель из суспен 004566 8 зии теряется через отверстия 15 в пласт 12 и также через фильтр 21. Когда это случается,гравий отделяется от суспензии и накапливается в кольцевом пространстве 19, образуя желаемую гравийную набивку вокруг фильтра 21. Однако, если жидкость-носитель будет слишком быстро теряться из суспензии, то в кольцевом пространстве ствола скважины будет образовываться песчаная перемычка (перемычки), которая блокирует дальнейший поток через это кольцевое пространство. Согласно настоящему изобретению в тех случаях, когда это будет происходить, будет продолжаться увеличение давления суспензии, закачиваемой в верхнюю часть кольцевого пространства 19, до тех пор, пока это давление не достигнет величины, необходимой для открывания клапанного средства 31 на самой короткой трубе 25 а, т.е. будет разрываться диск 31 а, открываться обратный клапан 31b и т.д. в зависимости от типа используемого клапанного средства. Далее маловязкая суспензия 40 может течь вниз по самой короткой шунтовой трубе 25 а для заполнения гравием той части кольцевого пространства 19, которая расположена выше песчаной перемычки 26 и которая находится в гидравлическом сообщении с выпускным отверстием (т.е. нижним концом) трубы 25 а. Так как шунтовые трубы не имеют никаких отверстий по своей длине, то отсутствует риск забивания песком труб, даже если используется маловязкая жидкость-носитель. Этот риск становится еще меньше благодаря тому, что трубы остаются закрытыми для потока до тех пор, пока не образуется песчаная перемычка 26 в кольцевом пространстве 19 и не увеличится давление суспензии для открывания клапанных средств 31. Это увеличение давления на суспензию приведет к намного большей скорости потока суспензии через соответствующие шунтовые трубы по сравнению со скоростью потока в том случае,если шунтовые трубы были бы первоначально открыты для прохождения потока. Значительно более высокая скорость потока через шунтовые трубы способствует тому, что твердые частицы остаются взвешенными в суспензии во время ее течения по трубам. После того, как забита часть кольцевого пространства 19 выше песчаной перемычки 26,давление закачиваемой суспензии 40 еще более увеличивается при ее вхождении в верхнюю часть кольцевого пространства 19 через переводник 22. Это дальнейшее увеличение давления теперь будет вызывать открывание второго клапанного средства 31, что, таким образом,делает возможным прохождение потока через следующую шунтовую трубу (например, 25 с),чтобы начать заполнение гравием той части кольцевого пространства 19, которая расположена под песчаной перемычкой 26. Если в некотором месте кольцевого пространства под песчаной перемычкой 26 будет образовываться 9 следующая перемычка (не показана), то тогда будут последовательно открываться соответствующие шунтовые трубы (например, 25 с, 25d) при продолжающемся увеличении давления суспензии по мере того, как будет завершаться набивка разных частей кольцевого пространства ствола скважины. Хотя показаны четыре шунтовые трубы 25,необходимо отметить, что в пределах настоящего изобретения может быть использовано меньшее или большее количество шунтовых труб в зависимости от конкретных обстоятельств, например, длины заканчиваемого интервала 12 и т.д. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Скважинный инструмент, содержащий скважинный фильтр, выполненный с возможностью соединения с нижним концом спусковой колонны, множество шунтовых труб, проходящих вдоль фильтра и имеющих, каждая, впускное отверстие и по меньшей мере одно выпускное отверстие и клапанное средство, установленное в впускном отверстии каждой шунтовой трубой для первоначального блокирования потока через нее. 2. Скважинный инструмент по п.1, в котором каждая шунтовая труба имеет отличающуюся длину. 3. Скважинный инструмент по п.2, в котором каждая шунтовая труба открыта на своем верхнем конце для образования впускного отверстия и открыта на своем нижнем конце для образования по меньшей мере одного выпускного отверстия. 4. Скважинный инструмент по п.3, в котором клапанное средство в каждом впускном отверстии каждой шунтовой трубы выполнено с возможностью открывания при отличающемся,заранее определенном давлении, для открытия для потока каждой шунтовой трубы. 5. Скважинный инструмент по п.1, в котором клапанное средство содержит диск, выполненный с возможностью разрыва при заранее определенном давлении для открывания для потока соответствующей шунтовой трубы. 6. Скважинный инструмент по п.1, в котором клапанное средство содержит обратный клапан, выполненный с возможностью открывания при заранее определенном давлении, для открывания для потока соответствующей шунтовой трубы. 7. Способ гравийной набивки заканчиваемого интервала в стволе скважины, содержащий следующие операции: 10 установка внутри ствола скважины вблизи заканчиваемого интервала инструмента для гравийной набивки, имеющего скважинный фильтр и по меньшей мере один альтернативный путь проникновения потока, проходящий вдоль указанного фильтра и имеющий впускное отверстие и по меньшей мере одно выпускное отверстие, при этом впускное отверстие первоначально закрыто для прохождения потока; пропускание потока суспензии, содержащей маловязкую жидкость-носитель и гравий,вниз в кольцевое пространство, образованное между инструментом для гравийной набивки и стволом скважины, для осаждения гравия вокруг фильтра; продолжение пропускания потока суспензии до образования песчаной перемычки в кольцевом пространстве; открывание впускного отверстия по меньшей мере одного альтернативного пути проникновения после образования песчаной перемычки для обеспечения потока суспензии в альтернативный путь проникновения и из выпускного отверстия альтернативного пути проникновения для завершения гравийной набивки заканчиваемого интервала. 8. Способ по п.7, при котором в качестве жидкости-носителя используют жидкость,имеющую вязкость около 30 сантипуаз или меньше. 9. Способ по п.8, при котором в качестве жидкости-носителя используют воду. 10. Способ по п.8, при котором в качестве жидкости-носителя используют маловязкий гель. 11. Способ по п.7, при котором по меньшей мере один альтернативный путь проникновения первоначально закрывают клапанным средством, установленным во впускном отверстии альтернативного пути проникновения, и альтернативный путь проникновения открывают для потока посредством увеличения давления суспензии в кольцевом пространстве для обеспечения открывания клапанного средства. 12. Способ по п.11, при котором по меньшей мере один альтернативный путь проникновения потока состоит из множества альтернативных путей проникновения потока разной длины. 13. Способ по п.12, при котором каждый путь проникновения потока содержит клапанное средство, выполненное с возможностью открывания при отличающемся давлении.