NO304613B1 - Br°nnsementeringsverkt°y - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et verktøy tilpasset for montering på en verktøyrørstreng for å styre strømningsraten på fluid i en brønn, samt en fremgangsmåte for styrbart å levere et valgt fluid til et bestemt parti av en formasjon som omgir en foret brønn.

Således vedrører den et brønnsementeringsverktøy for å styre raten hvormed fluid pumpes inn i brønner, f.eks. ved hvilken sement pumpes inn i et område i en brønn som skal forsterkes, for dermed å forbedre styringen av sementeringsprosessen.

Det er vanlig praksis å "sementere" olje- og gassbrønner i ukonsolidert eller dårlig konsoliderte formasjoner. Nærmere bestemt finnes olje og gass vanligvis i porøse formasjoner gjennom hvilke oljen og gassen strømmer ved produksjon fra en brønn. Ofte er disse porøse formasjoner ikke konsolidert eller er dårlig konsolidert. Følgelig er det vanlig å fore en brønn, dvs. belegge den med et kontinuerlig stålrør, og deretter perforere røret i nærheten av den produserende del av formasjonen. Ofte er dette imidlertid ikke tilstrekkelig for å gi sonevis isolasjon, dvs. å avtette den produserende del av brønnen mot foringsrøret. Følgelig er det vanlig å sementere brønnen, dvs. pumpe en mengde med sementvelling mellom brønnens foringsrør og borehullet. Vanligvis blir hele ringrommet mellom foringsrøret og borehullet således fylt med sement i dette trinn. Når foringsrøret og sementen deretter perforeres fås i det vesentlige isolasjon av den bestemte sone av formasjonen som skal produsere.

Det er også godt kjent at brønner som er blitt foret, sementert og perforert slik, av og til kan stoppe å produsere, eller begynne å produsere uønskede fluider, slik som vann, på grunn av isolasjonstap utenfor perforeringen i foringsrøret. Typisk kan formasjonen erodere utenfor perforeringene og klappe sammen som sperrer disse; i enkelte tilfeller kan selve sementen erodere bort. I begge tilfeller kan isolasjonen skapt av sementen mellom de forskjellige lag av formasjonen gå tapt. Under slike omstendigheter er det vanlig å sementere veggen videre og deretter perforere den videre. Dersom en sementmengde ganske enkelt pumpes ned brønnen med en høy hastighet, tenderer den til å strømme lenger inn i formasjonen enn hva som er ønskelig og forårsake ytterligere vanskeligheter. Strømningsmengden hvormed dette skjer varierer i en betraktelig grad med formasjonens styrke; en løselig konsolidert formasjon vil vanligvis mye lettere bli penetrert av den hurtigstrømmende sement enn en "hardere" formasjon. Den ønskede strømningsgrad for sementen inn i formasjonen vil også variere med trykket i formasjonen.

Det finnes intet spesielt nærliggende, tidligere kjent verktøy som retter seg mot nøyaktig dette problem. Mens ventiler anbragt i brønnverktøy-enheten har vært brukt for å styre sementstrømningsgraden inn i formasjonene, har ingen av disse vært positive strømningsstyreventiler, bare fjærbe-lastede kuleventiler og lignende, og ingen har vært helt ut vellykkede til å styre strømningsgraden for sementen inn i formasjonene.

Følgelig er det et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et brønnsementeringsverktøy med kontrollert eller styrt rate, som kan benyttes til å avsette en sementmengde i en brønn ved ønsket dybde motsatt perforeringene, og å styre sement-strømmen inn i formasjonen ved en ønsket hastighet for å avsette denne på en bestemt ønsket måte.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelse er det til-veiebragt et verktøy og en fremgangsmåte av den innlednings-vis nevnte art som kjennetegnes ved de trekk som fremgår av karakteristikken i de etterfølgende, selvstendige krav.

Mens ventilen er åpen, pumpes en stor sementmengde ned i brønnen under ventilelementet. Ventilelementet blir deretter lukket. Ventilen kan så styrbart trykksettes ved pumping av fluid, f.eks. vann, inn i brønnen. Den lille strupeåpningen i ventilelementet styrer strømningsgraden for det trykksatte fluid. Dette begrenser raten som sementen pumpes inn i formasjonen med, og styrer sementavsetningen i formasjonen, mens den tillater at svært høyt trykk som er nødvendig for å presse sementen inn i formasjonen kan brukes.

Det gis nå henvisning til de vedlagte tegninger hvor:

Fig. 1 viser et snittriss gjennom en brønn boret i bakken,

som oppviser en typisk tilstand som skal korrigeres ved utnyttelse av verktøyet ifølge oppfinnelsen;

fig. 2 viser en første utførelse av verktøyet ifølge oppfinnelsen, anordnet i et typisk brønnmiljø, med ventilelementet i lukket stilling;

fig. 3 viser et snittriss av en andre foretrukken utførelse

av oppfinnelsen, med ventilen i åpen stilling;

fig. 4 viser et tilsvarende riss av ventilen ifølge fig. 3 i

lukket stilling;

fig. 5 viser et snittriss langs linjen 5-5 ifølge fig. 3; og fig. 6 viser et snittriss langs linjen 6-6 ifølge fig. 3.

Som indikert ovenfor, er det hovedformålet med verktøyet ifølge oppfinnelsen å styre raten hvormed sement pumpes fra en brønn inn i en formasjon som skal konsolideres. Flere forskjellige utførelser av et verktøy for å gjøre dette er vist i den foreliggende søknad. I hver innbefatter verktøyet en aktuator som beveger seg aksielt i et hus som er festet i en ønsket posisjon i brønnen med en ekspansjonspakning. En sementmengde avsettes under ventilelementet i verktøyet, og ventilelementet stenges. Ventilelementet har imidlertid en liten åpning eller "struper" utformet i dette. Vann eller annet fluid blir så pumpet ned brønnen for å presse sementen gjennom foringsrøret inn i perforeringen. Struperens dimensjon styrer mengden hvormed vannet pumpes gjennom ventilelementet og således mengden hvormed sementen presses inn i formasjonen.

Fig. 1 viser en typisk brønn som forløper gjennom flere typer bergformasjoner 10,11,12 og 13. Bergformasjonen 12 er vist som å være hovedsakelig porøs som naturligvis er mer produktiv for olje og gass enn en ikke-porøs formasjon 10 er, som innfanger olje og gass. Som vanlig er borehullet 14 foret med et foringsrør 16 som omfatter et antall stålrørs-seksjoner senket ned i hullet etter at brønnen er blitt boret. Foringsrøret 16 sementeres til borehullet med en sementmengde 8. Foringsrøret og sementen 8 perforeres ved 16a med eksplosive anordninger eller lignende, som i virkning lokker hull i foringsrøret 16 og sementen 8, som gjør produksjon av olje mulig fra den porøse formasjon 12. Olje og gass som produseres bringes til overflaten via produk-sjonsrørstrengen 6, avtettet mot foringsrøret 16 med en ekspansjonspakning 24.

Vanligvis vil en ukonsolidert eller dårlig konsolidert formasjon errodere til å danne et tomrom 12a. Som vist kan tomrommet 12a tillate at et porøst lag 13 fylles med uønsket fluid, slik som saltvann, for å kommunisere med foringsrøret 16 ved hjelp av perforeringer 16a. Formasjonen kan også klappe sammen, som kommer i konflikt med produksjonen av olje og gass fra brønnen. For å løse disse problemer er det vanlig å pressementere brønnen ved å pumpe sementvelling ut gjennom perforeringene, for å danne en plugg mellom foringsrøret og formasjonen, som deretter blir perforert på nytt for å tillate videre produksjon. Som indikert ovenfor, foreligger imidlertid ingen tidligere metode der pumpingen styres av en anordning nede i brønnhullet ved en rate valgt i samsvar med trykket nede i hullet og formasjonens styrke. Dersom sement pumpes inn i brønnen ved en ukontrollert hastighet, tenderer den ofte til å svikte sitt tiltenkte formål, og kommer ytterligere i konflikt med produksjonen.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et verktøy for å løse dette problem ved å gi aktiv styring av sementstrøms-mengden inn i formasjonen. Den første utførelse av oppfinnelsen som vises er i fig. 2: Verktøyet omfatter et hus 20, en aktuator 22 aksielt glidbar i huset, og en ekspansjonspakning 24. Ekspansjonspakningen 24 er festet til huset 20. I denne utførelsen omfatter verktøyet et ventilelement 26 som henger ned fra aktuatoren 22 i et svingepunkt 28, for slik å bevege seg mellom lukket og åpen stilling etterhvert som aktuatoren 22 beveger seg aksielt i huset 20. Verktøyet er vist med ventilelementet 26 i lukket stilling i fig. 2.

I bruk senkes verktøyet ned i brønnen, båret av en verktøy-streng indikert ved 30. Aktuatoren 22 er skrudd inn i verktøyrørstrengen 30 og omfatter en skulder 22a som passer til en tilsvarende skulder 20a på huset 20. Således henger huset 20 ned fra aktuatoren 22. I denne omstendighet henger ventilelementet 26 under aktuatoren, fra svingepunktet 28, som avdekker en forholdsvis stor åpning definert av ventilsetet 20b utformet i huset 20.

Når verktøyet når den ønskede dybde i brønnen, dvs. motsatt perforeringene 16a, låses ekspansjonspakningen 24 til innsiden av foringsrøret 16 på konvensjonell måte, som dermed fester huset 20 til foringsrøret 16. Sement pumpes ned sentralt i verktøyrørstrengen, og strømmer inn i et område i foringsrøret 8 under ekspansjonspakningen 24. Vanligvis er foringsrøret fullt av vann, slam og lignende, hvorpå sementen hviler. Om nødvendig kan en konvensjonell plugg plasseres i foringsrøret under perforeringene. Det skal forstås av fagmannen at sementvolumet kan effektivt styres av den relative posisjon til verktøyet med hensyn til perforeringene 16a.

Når en passende sementmengde er avsatt i foringsrøret under verktøyet, så stenges ventilen ved å senke aktuatoren 22 som henger ned fra verktøystrengen med hensyn til huset 20. Dette medfører at ventilelementet 26 ligger an mot ventilsetet 20b og svinger til posisjonen vist i fig.2, der hovedåpningen i ventilen definert av ventilsetet 20b er stengt. Dette etterlater kun et begrenset areal av strupeåpningen 26a åpen, utformet i ventilelementet. Vann eller annet fluid pumpes nå ned verktøyrørstrengen 30, for å presse sementen inn i formasjonen. Strupeåpningen 26a begrenser mengden eller raten hvormed dette fluid kan presse sement fra innsiden av foringsrøret 16 ut gjennnom perforeringene 16a inn i tomrommet 12a i formasjonen. Nærmere bestemt tillater tilveiebringelsen av struperåpningen at det benyttes svært høyt trykk for å presse sementen inn i formasjonen, mens strømningshastigheten for sementen inn i formasjonen er begrenset. I enkelte tilfeller kan vekten av fluidsøylen i seg selv gi tilstrekkelig trykk til å presse sementen inn i formasjonen.

En andre utførelse av oppfinnelsen er vist i fig. 3-6. Dette verktøy manøvreres identisk med det som er vist i fig. 2.

Fig. 3 viser verktøyet med ventilelementet i åpen stilling, og fig. 4 viser ventilelementet lukket. Fig. 5 og 6 er tverrsnitt langs linjene 5-5 og 6-6 respektivt i fig. 3.

Som det kan ses i fig. 3 innbefatter verktøyet i denne utførelsen igjen et hus, i denne utførelsen nummerert 40, og en aktuator 42. I denne utførelsen svinges imidlertid ventilelementet 44 ikke på aktuatoren 42, men er fast til denne. Når ventilen er åpen (fig. 3) er endene av et antall forholdsvis store åpninger 46a (se fig. 5) som går radielt mellom ventilelementet 44 og aktuatoren 42 åpne, slik at sement kan strømme rundt ventilelementet og inn i et nedre parti av rørstrengen, som indikert generelt med pilene i fig.

3. Ventilelementet 44 har også utformet i seg en åpning eller struper 44a med begrenset areal. Struperens størrelse kan hurtig varieres ved å anordne den som en åpning i et utskiftbart element skrudd inn i ventilelementet 44. Ventilen stenges, igjen ved å feste huset til foringsrøret med en ekspansjonstetning (ikke vist) og senke aktuatoren med hensyn til huset, som beskrevet i forbindelse med utførelsen ifølge fig. 2. Åpningene 46a blir deretter effektivt lukket ved anlegg av ventilelementet 46 mot et ventilsete 40b utformet i huset, som vist i fig. 3. De korresponderende flater kan ha tilsvarende koniske former. Når brønnen deretter trykksettes, begrenser struperen 44a med begrenset areal sementstrømmen inn i formasjonen og styrer dens avsetning. 0-ringer 50 og 52 kan anordnes for å avtette aktuatoren mot huset og ventilelementet mot setet respektivt.

Som indikert ovenfor er virkemåten for verktøyet ifølge fig. 3-6 hovedsakelig den samme som den for utførelsen ifølge fig. 2. Huset bæres av skuldere 42a og 40a utformet på aktuatoren og huset respektivt, mens verktøyet senkes ned i brønnen, dvs. i stillingen ifølge fig. 3. Ekspansjonspakningen blir deretter festet til veggen av foringsrøret. En forholdsvis stor sementmengde pumpes så inn i foringsrøret under verktøyet. Aktuatoren 42 blir så senket ytterligere, som stenger ventilen og inntar posisjonen ifølge fig. 4. Brønnen blir deretter trykksatt, som presser sementen ut gjennom perforeringene med en hastighet som svarer til størrelsen av strupeåpningen 44a og viskositeten i fluidet (vanligvis vann) som benyttes for å trykksette brønnen. Igjen, å tillate fluidet å passere kun gjennom struperåpningen 44a, tillater at høye trykk kan benyttes mens strømningsgraden eller hastigheten forblir lav.

I begge utførelsene ifølge oppfinnelsen er aktuatoren fortrinnsvis låst til huset som generelt vist i fig. 6, dvs. ved utforming av en bestemt tverrsnittsform på det parti av aktuatoren 42b som forløper ut av huset for kopling til verktøyrøret 30, og en tilsvarende formet åpning 40c på huset. Dette forhindrer relativ dreining mellom disse, og eliminerer oppskruing av verktøyet fra verktøyrørstrengen.

To utførelser av oppfinnelsen er blitt vist og beskrevet i detalj. Utførelsen ifølge fig. 3-6 synes for tiden å være mer pålitelig i bruk enn utførelsen ifølge fig. 2, og er således den foretrukne utførelse.

I en modifikasjon kunne struperen tildannes i et parti av verktøyet forskjellig fra selve ventilelementet, som i de to utførelser omtalt ovenfor. Struperåpningen behøver bare å forbli åpen, som tillater føring av trykkfluid gjennom verktøyet, uansett posisjonen til ventilelementet.

Som angitt ovenfor er verktøyet anvendelig for å styre strømningen av strømbare materialer forskjellig fra sement. Ved variering av størrelsen på struperåpningen med hensyn til viskositeten i fluidet som benyttes for å trykksette brønnen, kan strømbare materialer av varierende viskositeter og forskjellige ønskede strømningshastigheter tas hånd om.

Claims (18)

1. Verktøy tilpasset for montering på en verktøyrørstreng for å styre strømningsraten på fluid i en brønn,karakterisert vedat det innbefatter: et hus (20;40) tilpasset for å festes i en ønsket stilling i en brønn; et ventilsete (20b;40b) som definerer en forholdsvis stor åpning; et bevegelig ventilelement (26;44), hvilket ventilelement (26;44) er montert for bevegelse mellom åpen og lukket stilling med hensyn til ventilsetet (20b;40b), slik at strømningen av fluider gjennom åpningen styres som svar på posisjonen til ventilelementet (26;44) med hensyn til ventilsetet (20b;40b), en aktuator (22;42) for styrbart å bevege ventilelementet (26;44) mellom sin åpne og lukkede stilling; og innretninger for å definere en strupeåpning (26a;44a) av ønsket størrelse som forblir åpen, som tillater strømning av fluid gjennom verktøyet, uansett stillingen til ventilelementet (26;44).

2. Verktøy ifølge krav 1,karakterisert vedat strupeåpningen (26a;44a) er utformet i det bevegelige ventilelement (26;44).

3. Verktøy ifølge krav 1 eller 2,karakterisertved at det bevegelige ventilelement (26;44) er montert på enden av aktuatoren (22; 42) og ventilsetet (20b;40b) er festet til huset (20;40), hvorved aksiell bevegelse av aktuatoren (22) med hensyn til huset beveger ventilelementet (26;44) mellom den lukkede og åpne stilling med hensyn til ventilsetet (20b;40b).

4. Verktøy ifølge krav 3,karakterisert vedat under nedsenking av verktøyet i en brønnboring, henger huset (20;40) ned fra aktuatoren (22;42), hvilken aktuator (22;42) i sin tur er båret av verktøyrørstrengen (30), hvor ventilelementet (26;44) dermed kommer i avstand fra ventilsetet (20b; 40b) i sin åpne stilling, og at for å lukke ventilen festes huset (20;40) i en ønsket posisjon i brønnen og aktuatoren (22;42) senkes med hensyn til huset (20;40).

5. Verktøy ifølge krav 3,karakterisert vedat ventilelementet (44) omfatter et hovedsakelig radialsym-metrisk legeme omfattende en første tetningsflate for tettende inngrep med en andre tilsvarende tetningsflate på ventilsetet (40b).

6. Verktøy ifølge krav 5,karakterisert vedat minst en av tetningsflåtene på ventilelementet (44) og ventilsetet (40b) er tilpasset til å holde på en 0-ring (52) for tettende inngrep med den annen av tetningsflåtene.

7. Verktøy ifølge krav 5 eller 6,karakterisertved at ventillegemet (44) har utformet i seg en sentral strupeåpning (44a) som forløper gjennom dette, og et antall ytterligere åpninger (46a) som også forløper gjennom dette, slik at de ytterligere åpninger (46a) er stengt når tetningsflaten på ventilelementet (44) kontakter tetningsflaten på ventilsetet (40b).

8. Verktøy ifølge krav 5,6 eller 7,karakterisertved at den første og andre korresponderende tetningsflate er hovedsakelig konisk.

9. Verktøy ifølge et eller flere av de foranstående krav,karakterisert vedat aktuatoren (42) omfatter et element (42b) som forløper ut av huset (40) for kopling til verktøyrørstrengen (30).

10. Verktøy ifølge krav 9,karakterisert vedat aktuatoren (42) er låst til huset (40) for å utelukke dreining av aktuatoren (42) med hensyn til huset (40).

11. Verktøy ifølge krav 9 eller 10,karakterisertved at elementet (42b) i aktuatoren (42) som forløper ut av huset (40) har en polygonal tverrsnittsform som passer med en tilsvarende utformet åpning (40c) i huset (40) for å hindre dreining av aktuatoren (42) med hensyn til huset (40).

12. Verktøy ifølge krav 9 eller 10,karakterisertved at aktuatoren (42) omfatter et ringformet avsatselement (42a) på sin utvendige overflate som er tilpasset til å kontakte et korresponderende ringformet avsatselement (40a) utformet på den innvendige vegg av huset (40) hvorved, når verktøyet senkes ned i en brønn, kommer avsatselementene til anlegg og aktuatoren (42) bærer huset (40).

13. Verktøy ifølge et eller flere av de foranstående krav,karakterisert vedat det er i kombinasjon med en ekspansjonspakning (24) festet til huset (20) for å feste huset i en forutbestemt stilling i en brønnboring.

14. Verktøy ifølge krav 1,karakterisert vedat det bevegelige ventilelement (26) er et klaffventilelement (26) svingbart med hensyn til aktuatoren (22).

15. Verktøy ifølge krav 14,karakterisert vedat den bevegelige klaffventil (26) er anordnet under aktuatoren (22) som henger ned fra denne.

16. Verktøy ifølge krav 15,karakterisert vedat ventilsetet (20b) er utformet på aktuatoren (22), at aktuatoren (22) blir hevet med hensyn til huset (20) for å åpne ventilen og senket med hensyn til huset (20) for å lukke ventilen, og at ventilsetet (20b) er formet til å omfatte en aktiviseringsflate, slik at når aktuatoren (22) senkes støter den bevegelige klaff (26) mot aktiviseringsflaten og svinges til tettende inngrep med setet (20b).

17. Fremgangsmåte for styrbart å levere et valgt fluid til et bestemt parti av en formasjon som omgir en foret brønn,karakterisert vedat den innbefatter trinnene: nedsenking av et verktøy montert på en verktøyrørstreng i brønnen, hvilket verktøy omfatter: et hus tilpasset for å festes i en ønsket stilling i brønnen; et bevegelig ventilelement montert for bevegelse mellom åpen og lukket stilling med hensyn til et ventilsete; et ventilsete for tettende inngrep med ventilelementet når ventilelementet er i lukket stilling og som definerer en forholdsvis stor åpning når ventilelementet er i den åpne stilling; en aktuator for styrbart å bevege ventilelementet mellom sin åpne og lukkede stilling, hvilken aktuator betjenes av bevegelse med hensyn til huset etter at huset er festet i ønsket stilling i en brønn; innretninger for å definere en strupeåpning av ønsket størrelse for å tillate f luidstrømning gjennom verktøyet uansett posisjonen til ventilelementet; og en ekspansjonspakning festet til verktøyhuset; utnyttelse av ekspansjonspakningen for å feste huset til brønnens foringsrør; mens ventilen er i åpen stilling, avsette en mengde av ønsket materiale under verktøyet, i nærheten av et bestemt parti i formasjonen; stenge ventilen ved å bevege aktuatoren med hensyn til huset; og trykksette brønnen for å presse det ønskede materialet inn i formasjonen rundt den forede brønn.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 17,karakterisertved at aktuatoren bærer huset mens verktøyet senkes ned i brønnen, og senkes med hensyn til huset etter at huset er festet til foringsrøret for å stenge ventilen.