УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПЛАСТА В ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СКВАЖИНЕ

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для разобщения пласта в горизонтальных скважинах, в том числе с открытым стволом при раздельной закачке в них различных реагентов.

Известно устройство для обработки пластов в скважине (патент RU №2431734, МПК E21B 33/12, опубл. в бюл. №29 от 20.10.2011 г.), содержащее основной и дополнительный пакеры, разнесенные по высоте, превышающей толщину пласта, полым стволом с радиальными каналами, которые перекрыты втулкой с седлом под бросовый шар, выполненной с возможностью ограниченного продольного перемещения вниз с открытием каналов и зафиксированной срезными элементами, внутреннюю цилиндрическую выборку, причем основной пакер выполнен из эластичной манжеты, установленной между верхней опорой и нижней конусной опорой, и проходного корпуса, жестко соединенного при помощи верхней опоры с нижней частью ствола и оснащенного ниже нижней опоры на наружной поверхности фигурным пазом с коротким и длинным продольными участками, соединенными фигурным участком, а на проходном корпусе с возможностью осевого перемещения установлена обойма со штифтом, размещенным в фигурном пазу, и соединенными подпружиненными наружу центраторами и подпружиненными вовнутрь шлипсами, выполненными с возможностью взаимодействия внутренними скосами с конусной частью нижней опоры при нахождении штифта в длинном продольном участке фигурного паза - рабочее положение, при этом расположенный выше основного дополнительный пакер выполнен из верхнего упора с цилиндрической втулкой, нижнего упора и дополнительной эластичной манжеты, установленной на цилиндрической втулке между упорами, который телескопически установлен с возможностью осевого перемещения вниз в нижний упор, причем нижний упор жестко соединен с верхней частью ствола, а верхний упор снабжен якорем и соединен для спуска в скважину с колонной труб, при этом бросовый шар выполнен в виде фиксируемого запорного органа, а втулка с седлом выполнена в виде полого цилиндра, а верхний упор изготовлен сборным, состоящим из якоря, опорного корпуса с внутренней цилиндрической выборкой, взаимодействующего с дополнительной эластичной манжетой, и цилиндрической втулки, жестко соединенной с колонной труб через технологический патрубок с радиальными каналами и вставленной в опорный корпус верхнего упора с возможностью ограниченного наружным выступом, размещенным в цилиндрической выборке, перемещения вниз, при этом якорь выполнен сборным в виде секторов конуса с внутренней выборкой, соединенным с опорным корпусом с возможностью радиального перемещения, и полый корпус, выполненный поджатым вверх с возможностью ограниченного осевого перемещения вниз относительно цилиндрической втулки, с подпружиненными вовнутрь плашками, выполненными с возможностью радиального перемещения относительно полого корпуса якоря и взаимодействия изнутри с секторами конуса, поджатыми вовнутрь, при этом на наружной поверхности цилиндрической втулки выполнены кольцевая выборка под пружинное кольцо и расположенные выше верхний и нижний кольцевые выступы с коническими фасками, верхний из которых взаимодействует с плашками, а нижний расположен во внутренних выборках секторов конуса, причем на внутренней поверхности опорного корпуса между цилиндрической выборкой и конусными секторами выполнено кольцевое сужение, которое расположено ниже кольцевой выборки цилиндрической втулки с возможностью взаимодействия с пружинным кольцом, оснащенное верхней и нижней фасками, нижняя из которых допускает проход пружинного кольца через кольцевое сужение опорного корпуса вниз только после запакеровки эластичных манжет в скважине, а верхняя - вверх перед запакеровкой с допустимым усилием, при этом радиальные каналы технологического патрубка перекрыты стаканом, выполненным с возможностью ограниченного перемещения вниз с открытием радиальных каналов, зафиксированным разрушаемым винтом и оснащенным под дополнительный фиксируемый запорный орган технологическим седлом, проходной диаметр которого больше диаметра фиксируемого запорного органа для седла втулки.

Недостатками данного устройства являются:

- во-первых, ограниченные функциональные возможности устройства в виду невозможности обработки пластов в открытом стволе горизонтальной скважины (невозможно осуществить посадку пакеров устройства и их герметизацию в открытом стволе горизонтальной скважины из-за несовершенства основного и дополнительного пакеров);

- во-вторых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством узлов и деталей;

- в-третьих, низкая надежность работы основного и дополнительного пакера, связанная с высокой вероятностью их негерметичной механической посадкой в скважине с обсаженным стволом при недостаточном весе колонны, особенно при обработке пластов в горизонтальных или вертикальных скважинах на небольших глубинах (до 1000 м);

- в-четвертых, высокая себестоимость изготовления, связанная с большим количеством технологических сложных в изготовлении деталей: фигурный паз, шлипсы, плашки, якорь и т.д.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для обработки пластов в скважине (патент RU №2421600, МПК E21B 33/12, опубл. в бюл. №17 от 20.06.2011 г.), содержащее основной и дополнительный пакеры, соединенные полым стволом с радиальными каналами и разнесенные по высоте, превышающей толщину пласта, глухую перегородку, внутреннюю цилиндрическую выборку, причем основной пакер выполнен из эластичной манжеты, установленной между верхней опорой и нижней конусной опорой, и проходного корпуса, жестко соединенного при помощи верхней опоры с нижней частью ствола и оснащенного ниже нижней опоры на наружной поверхности фигурным пазом с коротким и длинным продольным участками, соединенными фигурным участком, а на проходном корпусе с возможностью осевого перемещения установлена обойма со штифтом, размещенным в фигурном пазе, и соединенными подпружиненными наружу центраторами и подпружиненными вовнутрь шлипсами, выполненными с возможностью взаимодействия внутренними скосами с конусной частью нижней опоры при нахождении штифта в длинном продольном участке фигурного паза - рабочее положение, при этом расположенный выше основного дополнительный пакер выполнен из верхнего упора с цилиндрической втулкой, нижнего упора и дополнительной эластичной манжеты, установленной на цилиндрической втулке между упорами, который телескопически установлен с возможностью осевого перемещения вниз в нижний упор, причем нижний упор жестко соединен с верхней частью ствола, а верхний упор снабжен якорем и соединен для спуска в скважину с колонной труб, при этом длина ствола подобрана такой длины, чтобы перекрыть с двух сторон наибольший из пластов скважины, глухая перегородка установлена в проходном корпусе основного пакера или в стволе ниже радиальных каналов, а верхний упор изготовлен сборным, состоящим из якоря, опорного корпуса с внутренней цилиндрической выборкой, взаимодействующего с дополнительной эластичной манжетой, и цилиндрической втулкой, жестко соединенной с колонной труб и вставленной в опорный корпус верхнего упора с возможностью ограниченного наружным выступом, размещенным в цилиндрической выборке, перемещения вниз, при этом якорь выполнен сборным в виде секторов конуса с внутренней выборкой, соединенным с опорным корпусом с возможностью радиального перемещения, и полый корпус, выполненный поджатым вверх с возможностью ограниченного осевого перемещения вниз относительно цилиндрической втулки, с подпружиненными вовнутрь плашками, выполненными с возможностью радиального перемещения относительно полого корпуса якоря и взаимодействия изнутри с секторами конуса, поджатыми вовнутрь, при этом на наружной поверхности цилиндрической втулки выполнены кольцевая выборка под пружинное кольцо и расположенные выше верхний и нижний кольцевые выступы с коническими фасками, верхний из которых взаимодействует с плашками, а нижний расположен во внутренних выборках секторов конуса, причем на внутренней поверхности опорного корпуса между цилиндрической выборкой и конусными секторами выполнено кольцевое сужение, которое расположено ниже кольцевой выборки цилиндрической втулки с возможностью взаимодействия с пружинным кольцом, оснащенное верхней и нижней фасками, нижняя из которых допускает проход пружинного кольца через кольцевое сужение опорного корпуса вниз только после запакеровки эластичных манжет в скважине, а верхняя - вверх перед с допустимым усилием.

Недостатками данного устройства являются:

- во-первых, ограниченные функциональные возможности работы устройства в виду невозможности обработки пластов в открытом стволе горизонтальной скважины (невозможно осуществить посадку пакеров устройства и их герметизацию в открытом стволе горизонтальной скважины из-за несовершенства основного и дополнительного пакеров);

- во-вторых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством узлов и деталей;

- в-третьих, низкая эффективность работы основного и дополнительного пакера, связанная с высокой вероятностью их негерметичной запакеровки в горизонтальной скважине даже с обсаженным стволом при недостаточном весе колонны;

- в-четвертых, высокая себестоимость изготовления, связанная с большим количеством технологических сложных в изготовлении деталей: фигурный паз, шлипсы, плашки, якорь и т.д.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей работы устройства за счет возможности его работы в горизонтальной скважине с открытым стволом, а также повышение эффективности работы устройства в скважинах с обсаженным стволом за счет повышения качества герметизации, а также упрощение конструкции и снижение себестоимости изготовления устройства.

Поставленная задача решается устройством для обработки пласта в горизонтальной скважине, содержащим основной пакер с манжетой и проходным корпусом, дополнительный пакер с дополнительной манжетой и цилиндрической втулкой, причем проходной корпус основного пакера и цилиндрическая втулка дополнительного пакера соединены между собой полым стволом с радиальными каналами, разнесенными по высоте, превышающей толщину пласта, при этом длина полого ствола позволяет перекрывать обрабатываемый пласт в горизонтальной скважине основным и дополнительным пакерами, полый корпус.

Новым является то, что манжета основного пакера и дополнительная манжета дополнительного пакера выполнены в виде нижнего и верхнего надувных резиновых элементов с соответствующими внутренними полостями, гидравлически соединенными между собой трубкой, при этом сверху в цилиндрическую втулку дополнительного пакера телескопически вставлена полая втулка, оснащенная радиальным отверстием, имеющим в исходном положении возможность гидравлического сообщения с внутренней полостью верхнего надувного резинового элемента дополнительного пакера посредством кольцевой выборки и гидравлического канала, выполненных в верхней части цилиндрической втулки дополнительного пакера, причем полая втулка подпружинена вверх относительно цилиндрической втулки дополнительного пакера, а снизу полая втулка оснащена седлом, зафиксированным разрушаемым элементом, на котором размещен шар, при этом сверху на полую втулку телескопически установлен полый корпус, зафиксированный в исходном положении относительно полой втулки срезным элементом, а в рабочем положении полая втулка имеет возможность ограниченного осевого перемещения вниз относительно полого корпуса и цилиндрической втулки дополнительного пакера, сжатия пружины, фиксации полой втулки относительно цилиндрической втулки, герметичного отсечения радиального отверстия полой втулки внутренней поверхностью цилиндрической втулки дополнительного пакера и срезанием разрушаемого элемента седла с перемещением седла сверху вниз до упора во внутренний уступ, выполненный на нижнем конце проходного корпуса основного пакера и перетоком жидкости сверху вниз через радиальные отверстия полого ствола в обрабатываемый пласт.

На фиг.1 схематично изображено предлагаемое устройство в исходном положении.

На фиг.2 схематично изображено предлагаемое устройство в рабочем положении.

Устройство для обработки пласта (на фиг.1 и 2 не показано) в горизонтальной скважине 1 (фиг.1) содержит основной пакер 2 с манжетой 3 и проходным корпусом 4, дополнительный пакер 5 с дополнительной манжетой 6 и цилиндрической втулкой 7.

Проходной корпус 4 и цилиндрическая втулка 7 соединены между собой полым стволом 8 с радиальными каналами 9, разнесенными по высоте, превышающей толщину пласта.

Длина - L полого ствола 8 позволяет перекрывать основным 2 и дополнительным 5 пакерами с двух сторон пласт горизонтальной скважины 1.

Манжета 3 основного пакера 2 и дополнительная манжета 6 дополнительного пакера 5 выполнены, соответственно, в виде верхнего и нижнего надувных резиновых элементов с соответствующими внутренними полостями 10 и 11. Внутренняя полость 10 нижнего надувного резинового элемента 3 основного пакера 2 и внутренняя полость 11 верхнего надувного резинового элемента 6 дополнительного пакера 5 гидравлически соединены между собой трубкой 12. Трубка 12 выполнена металлической, например из латуни.

Сверху в цилиндрическую втулку 7 дополнительного пакера 5 вставлена полая втулка 13, оснащенная радиальным отверстием 14, имеющим в исходном положении возможность гидравлического сообщения с внутренней полостью 11 верхнего надувного резинового элемента 6 дополнительного пакера 5 посредством кольцевой выборки 15 и гидравлического канала 16, выполненных в верхней части цилиндрической втулки 7 дополнительного пакера 5.

Проходные сечения радиального отверстия 14, гидравлического канала 16 и трубки 12 обеспечивают раздувание нижнего надувного резинового элемента 3 основного пакера 2 и верхнего надувного резинового элемента 6 дополнительного пакера 5 и герметичного их прижатия к внутренним стенкам скважины 1.

Полая втулка 13 подпружинена вверх пружиной 17 относительно цилиндрической втулки 7 дополнительного пакера 5.

Снизу полая втулка 13 оснащена седлом 18, зафиксированным разрушаемым элементом 19, на котором размещен сбрасываемый с устья шар 20.

Сверху на полую втулку 13 телескопически установлен полый корпус 21 в исходном положении, зафиксированный в исходном положении относительно полой втулки 21 срезным элементом 22.

В рабочем положении полая втулка 13 (см. фиг.2) имеет возможность ограниченного осевого перемещения вниз относительно полого корпуса 21 и цилиндрической втулки 7 дополнительного пакера 5, сжатия пружины 17, фиксации полой втулки 13 относительно цилиндрической втулки 7 и герметичного отсечения радиального отверстия 14 полой втулки 13 внутренней поверхностью 23 цилиндрической втулки 7 дополнительного пакера 5 и срезанием разрушаемого элемента 19 седла 18 с перемещением седла 18 сверху вниз до упора во внутренний уступ 24, выполненный на нижнем конце проходного корпуса 4 основного пакера 2 и перетоком жидкости сверху вниз через радиальные отверстия 9 полого ствола 8 в обрабатываемый пласт (на фиг.1 и 2 не показано).

С целью исключения «поршневания» при перемещении полой втулки 13 (см. фиг.1 и 2) вниз относительно цилиндрической втулки 7 (см. фиг.1) дополнительного пакера 5 в верхней части цилиндрической втулки 7 выполнено сквозное отверстие 25, сообщающее внутреннее пространство 26 цилиндрической втулки 7 с межколонным пространством 27 горизонтальной скважины 1.

Например, для фиксации полой втулки 13 относительно цилиндрической втулки 7 последняя оснащена внутренней кольцевой выборкой 28, в которой размещено разрезное пружинное кольцо 29, например, треугольного сечения, а полая втулка 13 оснащена наружной кольцевой проточкой 30, в которых фиксируется разрезное пружинное кольцо 29 в рабочем положении.

Несанкционированные перетоки жидкости в процессе работы устройства исключаются уплотнительными кольцами 31.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Перед спуском устройства в горизонтальную скважину длину - L полого ствола 8 (см. фиг.1 и 2) подбирают такой длины, например 6 м, чтобы герметично перекрыть с двух сторон пласт в горизонтальной скважины, например пласт высотой 4 м, подлежащий обработке.

Устройство в исходном положении, как показано на фигуре 1 на колонне труб 32, например колонне насосно-компрессорных труб (НКТ), спускают в горизонтальную скважину к пласту, подлежащему обработке, и устанавливают таким образом, чтобы верхняя часть устройства, то есть дополнительный пакер 5, и нижняя часть устройства, то есть основной пакер 2, находились соответственно выше и ниже обрабатываемого пласта (на фиг.1, 2 не показано), который необходимо обработать.

Далее производят запакеровку основного пакера 2 (см. фиг.1) и дополнительного пакера 5 на внутренней стенке (открытом стволе) горизонтальной скважины 1.

Для этого на устье скважины 1 колонну труб 32 обвязывают с насосным агрегатом (на фиг.1 и 2 не показано), например цементировочным агрегатом ЦА-320, и под давлением производят закачку технологической жидкости, например пресной воды, плотностью 1000 кг/м³ в колонну труб 32 (см фиг.1).

Технологическая жидкость по колонны труб 32 под давлением через внутренние пространства полого корпуса 21 и цилиндрической втулки 7 дополнительного пакера 5 сквозь радиальное отверстие 14 и кольцевую выборку 15 через гидравлический канал 16 цилиндрической втулки 7 дополнительного пакера 5 поступает во внутреннюю полость 11 верхнего надувного резинового элемента 6 дополнительного пакера 5, а оттуда через трубку 12 технологическая жидкость поступает во внутреннюю полость 10 нижнего надувного резинового элемента 3 основного пакера 2, при этом шар 20 герметично сидит на седле 18 полой втулки 13, что исключает переток жидкости под полую втулку 13.

Верхний надувной резиновый элемент 6 дополнительного пакера 5 и нижний надувной резиновый элемент 3 основного пакера 2 начинают раздуваться и расширяться радиально. Таким образом, начинается запакеровка основного пакера 1 и дополнительного пакера 5 в горизонтальной скважине 1.

Продолжают закачивать технологическую жидкость, при этом верхний надувной резиновый элемент 6 дополнительного пакера 5 и нижний надувной резиновый элемент 3 основного пакера 2 герметично прижимаются к внутренним стенкам скважины 1 (см. фиг.2). В предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, осуществляется гидравлическая посадка в скважине 1 основного 2 и дополнительного 5 пакеров, что в горизонтальной скважине исключает зависимость герметичности посадки от веса труб, в связи с чем повышается надежность работы устройства. Также вследствие отсутствия разгрузки колонны труб 32 на устройство исключается сползание устройства с заданного интервала посадки основного 2 и дополнительного 5 пакеров, в связи с чем повышается эффективность работы устройства.

При достижении в колонне труб 32 (см. фиг.2) давления, например 6,0 МПа, происходит разрушение срезного элемента 22. После чего полая втулка 13 перемещается ограниченно вниз относительно полого корпуса 21 (на длину - a, например равную 0,5 м) и цилиндрической втулки 7 дополнительного пакера 5(на длину - b=a), сжимает пружину 17, при этом происходит фиксация полой втулки 13 относительно цилиндрической втулки 7 за счет того, что разрезное пружинное кольцо 29, находящееся во внутренней кольцевой выборке 28 цилиндрической втулки 7, фиксируется в наружной кольцевой проточке 30 в полой втулке 13.

В результате радиальное отверстие 14 полой втулки 13 герметично отсекается внутренней поверхностью 23 цилиндрической втулки 7 дополнительного пакера 5.

Продолжают повышать давление в колонне труб 32, и при достижении давления, например 9,0 МПа, происходит срезание разрушаемого элемента 19 седло 18, при этом седла 18 перемещается сверху вниз до упора во внутренний уступ 24, выполненный на нижнем конце проходного корпуса 4 основного пакера 2. В результате жидкость по колонне труб 32 и внутреннее пространство устройства перетекает сверху вниз через радиальные отверстия 9 полого ствола 8 в обрабатываемый пласт.

Процесс запакеровки основного 2 и дополнительного 5 пакеров на внутренней стенке скважины окончен. Далее начинают обработку пласта. Для этого производят замену технологической жидкости на реагент, например соляную кислоту, которую с помощью насосного агрегата, расположенного на устье скважины 1 по колонне труб 32 (см. фиг.2), через внутренние пространства полого корпуса 21, полой втулки 13, внутреннее пространство 26 цилиндрической втулки 7 и далее через ряды радиальных каналов 9 полого ствола 8 закачивают жидкость (реагент) в обрабатываемый пласт под давлением приемистости обрабатываемого пласта, например 15,0 МПа. Во внутренней полости 10 нижнего надувного резинового элемента 3 основного пакера 2 и во внутренней полости 11 верхнего надувного резинового элемента 6 дополнительного пакера 5 сохраняется давление 6,0 МПа, вследствие чего основной 2 и дополнительный 5 пакера остаются в запакерованном состоянии.

По окончании закачки заданного объема реагента давление закачки сбрасывают до нуля и производят распакеровку основного 2 и дополнительного 5 пакеров.

Для этого с устья скважины производят натяжение колонны труб 32 вверх, например на 6×10⁴ Н, и выход разрезного пружинного кольца 29, находящегося во внутренней кольцевой выборке 28 цилиндрической втулки 7 из наружной кольцевой проточки 30 полой втулки 13.

Далее полая втулка 13 под действием возвратной силы пружины 27 возвращается в исходное положение (см. фиг.1), радиальное отверстие 14 полой втулки 13 открывается и давление во внутренних полостях 10 и 11, соответственно нижнего надувного резинового элемента 3 основного пакера 2 и верхнего надувного резинового элемента 6 дополнительного пакера 5, стравливается.

В результате нижний надувной резиновый элемент 3 основного пакера 2 и верхний надувной резиновый элемент 6 дополнительного пакера 5 радиально сжимаются внутрь и отходят от внутренних стенок горизонтальной скважины 1. Далее устройство извлекают из горизонтальной скважины на устье.

Предлагаемое устройство имеет высокую надежность в работе за счет гидравлической посадки основного и дополнительного пакеров в скважине и полностью исключает вероятность негерметичной посадки пакеров, связанную с недостаточным весом колонны труб в горизонтальной скважине. Кроме того, повышается эффективность работы устройства за счет повышения качества герметизации путем применения надувных резиновых элементов в открытом стволе горизонтальной скважине.

Предлагаемое устройство имеет простую конструкцию и низкую себестоимость изготовления вследствие уменьшения количества узлов и деталей, а также упрощения технологии изготовления за счет исключения из конструкции устройства технологически сложных в изготовлении деталей.