Устройство для поинтервальной обработки пласта в открытом горизонтальном стволе скважины

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для разобщения интервалов пласта в открытом горизонтальном стволе скважины при раздельной закачке в них различных реагентов.

Известно устройство для обработки пластов в горизонтальной скважине (патент RU №2550616, МПК Е21В 33/12, опубл. 10.05.2015 г., бюл. №13), содержащее пакер, включающий проходной в осевом направлении корпус с фигурным пазом на наружной поверхности, обойму со штифтом и шлипсами, причем штифт установлен в фигурный паз и имеет возможность перемещения по траектории фигурного паза, и эластичную манжету, расположенную между верхней и нижней опорами. Верхняя опора корпуса пакера жестко соединена с разобщителем, включающим ствол с радиальными отверстиями, с верхней и нижней резьбами и золотник, расположенный внутри ствола и соединенный с ним срезным элементом. Золотник снабжен осевым центральным отверстием и посадочным седлом для бросового элемента, сбрасываемого вовнутрь устройства перед обработкой пласта, находящегося выше пакера. Также устройство содержит нижнее кольцо, выполненное в виде крышки, навернутой на нижнюю резьбу ствола разобщителя, причем снизу крышка снабжена наружной резьбой для соединения с корпусом проходного пакера, а по центру крышка снабжена жестко закрепленным на ней стержнем, направленным в сторону золотника, а также осевыми отверстиями по окружности, причем пропускная способность этих отверстий больше пропускной способности центрального отверстия золотника, а стержень имеет возможность герметичного взаимодействия с осевым центральным отверстием золотника после посадки бросового элемента на седло золотника и осевого перемещения золотника относительно ствола разобщителя. Эластичная манжета выполнена в виде двух уплотнительных резиновых элементов, разделенных между собой металлической шайбой. Верхняя и нижняя опоры выполнены в виде тарелок с возможностью предотвращения затекания уплотнительных резиновых элементов за верхнюю и нижнюю опоры при посадке пакера, при этом верхняя и нижняя опоры оснащены усеченными конусами, нанизываемыми при посадке пакера на уплотнительные элементы эластичной манжеты, причем усеченный конус верхней опоры направлен вершиной вниз, а усеченный конус нижней опоры - вершиной вверх. Ствол разобщителя оснащен двумя внутренними кольцевыми проточками, оснащенными разрезными пружинными стопорными кольцами, имеющими возможность фиксации золотника за его верхний торец после осевого перемещения золотника относительно ствола разобщителя. Бросовый элемент выполнен в виде штока, оснащенного снизу полусферой, выше которой на штоке жестко установлен центратор, выполненный разрезным из армированной резины, а выше центратора на штоке жестко установлено сплошное уплотнительное резиновое кольцо.

Недостатками данного устройства являются:

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

- во-вторых, низкая надежность работы эластичной манжеты, выполненной в виде двух уплотнительных резиновых элементов, разделенных между собой металлической шайбой, связанная с высокой вероятностью негерметичной механической посадки в скважине с обсаженным стволом при недостаточном весе колонны, особенно при обработке пластов в горизонтальных или вертикальных скважинах на небольших глубинах (до 500 м);

- в-третьих, высокая себестоимость изготовления, связанная с большим количеством технологически сложных в изготовлении деталей: фигурного паза, шлипс, плашек, якоря и т.д.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для обработки пластов в скважине (патент RU №2431734, МПК Е21В 33/12, опубл. 20.10.2011 г., бюл. №29), содержащее основной и дополнительный пакеры, разнесенные по длине, превышающей интервал обработки 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. 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, т.е. устройство занимает рабочее положение. Расположенный выше основного дополнительный пакер выполнен из верхнего упора с цилиндрической втулкой, нижнего упора и дополнительной эластичной манжеты, установленной на цилиндрической втулке между упорами. Цилиндрическая втулка телескопически установлена 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. Бросовый шар выполнен в виде фиксируемого запорного органа, втулка с седлом - 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 втулкой, 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 выполнен 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. 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 работы устройства из-за 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 пакеров, связанная с высокой вероятностью их негерметичной запакеровки в открытом горизонтальном стволе скважины при недостаточном весе колонны;

- в-четвертых, высокая себестоимость изготовления, связанная с большим количеством технологически сложных в изготовлении деталей: фигурного паза, шлипс, плашки, якоря и т.д.

Техническими задачами изобретения являются расширение функциональных возможностей работы устройства за счет возможности его работы в открытом горизонтальном стволе скважины, повышение эффективности работы устройства в горизонтальных скважинах с открытым стволом за счет повышения качества герметизации, а также упрощение конструкции и снижение себестоимости изготовления устройства.

Поставленные задачи решаются устройством для поинтервальной обработки пласта в открытом горизонтальном стволе скважины, содержащим основной пакер с манжетой и проходным корпусом, дополнительный пакер с дополнительной манжетой и цилиндрической втулкой, полый ствол с радиальными каналами, соединяющий проходной корпус основного пакера и цилиндрическую втулку дополнительного пакера, разнесенные по длине, превышающей интервал обработки пласта, а длина полого ствола перекрывает обрабатываемый интервал пласта в горизонтальной скважине основным и дополнительным пакерами.

Новым является то, что манжеты основного и дополнительного пакеров выполнены в виде основного и дополнительного надувных резиновых элементов с соответствующими внутренними полостями, гидравлически соединенными между собой трубкой, при этом в цилиндрическую втулку дополнительного пакера телескопически вставлена полая втулка, оснащенная радиальным отверстием, имеющим в исходном положении возможность гидравлического сообщения с внутренней полостью дополнительного надувного резинового элемента дополнительного пакера с помощью кольцевой выборки и гидравлического канала, выполненных в цилиндрической втулке дополнительного пакера, причем полая втулка снабжена снаружи кольцевой проточкой и подпружинена вверх относительно цилиндрической втулки дополнительного пакера, при этом в полую втулку напротив ее радиального отверстия установлена пробка, зафиксированная разрушаемым элементом в исходном положении, а за пробкой в цилиндрической втулке дополнительного пакера закреплено срезное кольцо, имеющее возможность взаимодействия с пробкой после открытия радиального отверстия полой втулки, причем на полую втулку телескопически установлен полый корпус, оснащенный внутренней кольцевой выборкой, в котором размещено разрезное стопорное кольцо, полый корпус зафиксирован в исходном положении относительно полой втулки срезным элементом, а в рабочем положении после разрушения срезного элемента полая втулка имеет возможность ограниченного осевого перемещения вниз относительно полого корпуса и цилиндрической втулки дополнительного пакера путем сжатия пружины, фиксации разрезного стопорного кольца, находящегося во внутренней кольцевой выборке полого корпуса в наружной кольцевой проточке полой втулки, и герметичного отсечения радиального отверстия полой втулки цилиндрической втулкой дополнительного пакера, разрушения пробкой срезного кольца, закрепленного в полой втулке, и перемещения полой втулки до упора во внутренний уступ проходного корпуса основного пакера с перетоком жидкости через радиальные отверстия полого ствола в обрабатываемый пласт.

На фиг. 1, 2 и 3 схематично изображено предлагаемое устройство в процессе работы.

Устройство для поинтервальной обработки пласта в открытом горизонтальном стволе скважины содержит основной пакер 1 (фиг. 1) с манжетой 2 и проходным корпусом 3, дополнительный пакер 4 с дополнительной манжетой 5 и цилиндрической втулкой 6.

Полый ствол 7 с радиальными каналами 8 соединяет между собой разнесенные по длине L, превышающей интервал обработки пласта, проходной корпус 3 основного пакера 1 и цилиндрическую втулку 6 дополнительного пакера 4.

Длина L полого ствола 7 позволяет перекрывать основным 1 и дополнительным 4 пакерами с двух сторон обрабатываемый интервал пласта горизонтальной скважины.

Манжета 2 основного пакера 1 и дополнительная манжета 5 дополнительного пакера 4 выполнены соответственно в виде основного и дополнительного надувных резиновых элементов с соответствующими внутренними полостями 9 и 10. Внутренняя полость 9 основного надувного резинового элемента 2 основного пакера 1 и внутренняя полость 10 дополнительного надувного резинового элемента 5 дополнительного пакера 4 гидравлически соединены между собой трубкой 11. В цилиндрическую втулку 6 дополнительного пакера 4 вставлена полая втулка 12, оснащенная радиальным отверстием 13, имеющим в исходном положении возможность гидравлического сообщения с внутренней полостью 10 дополнительного надувного резинового элемента 5 дополнительного пакера 4 посредством кольцевой выборки 14 и гидравлического канала 15, выполненных в цилиндрической втулке 6 дополнительного пакера 4.

Проходные сечения радиального отверстия 13, а также гидравлического канала 15 и трубки 11 обеспечивают раздувание основного надувного резинового элемента 2 основного пакера 1 и дополнительного надувного резинового элемента 5 дополнительного пакера 4 и их герметичное прижатие к внутренним стенкам ствола 16 скважины.

Полая втулка 12 снабжена наружной кольцевой проточкой 17 и подпружинена пружиной 18 вверх относительно цилиндрической втулки 6 дополнительного пакера 4.

В полую втулку 12 напротив ее радиального отверстия 13 установлена пробка 19, зафиксированная разрушаемым элементом 20 в исходном положении.

За пробкой 19 (см. фиг. 1 и 2) в цилиндрической втулке 6 дополнительного пакера 4 закреплено срезное кольцо 20', имеющее возможность взаимодействия с пробкой 19 после открытия радиального отверстия 13 полой втулки 12.

На полую втулку 12 телескопически установлен полый корпус 21, оснащенный внутренней кольцевой выборкой 22, в котором размещено разрезное стопорное кольцо 23, например разрезное пружинное треугольного сечения.

Полый корпус 21 зафиксирован в исходном положении относительно полой втулки 12 срезным элементом 24.

В рабочем положении полая втулка 12 (см. фиг. 3) имеет возможность ограниченного осевого перемещения вниз относительно полого корпуса 21 и цилиндрической втулки 6 дополнительного пакера 4 путем сжатия пружины 18 с последующей фиксацией разрезного стопорного кольца 23 в наружной кольцевой проточке 17 полой втулки 12. При этом также происходит герметичное отсечение радиального отверстия 13 полой втулки 12 внутренней поверхностью 25 цилиндрической втулки 6 дополнительного пакера 4, срезание разрушаемого элемента 20 пробки 19 и ее перемещение до упора во внутренний уступ 26, выполненный на конце проходного корпуса 2 основного пакера 1, с перетоком жидкости через радиальные каналы 8 полого ствола 7 в обрабатываемый пласт (на фиг. 1 и 2 не показан).

Для снижения гидравлического сопротивления при перемещении полой втулки 12 (см. фиг. 1, 2 и 3) относительно цилиндрической втулки 6 (см. фиг. 1) дополнительного пакера 4 в верхней части цилиндрической втулки 6 выполнено сквозное отверстие 27, сообщающее внутреннее пространство 28 (см. фиг. 3) цилиндрической втулки 6 с межколонным пространством 29 горизонтальной скважины.

Несанкционированные перетоки жидкости в процессе работы устройства исключаются уплотнительными кольцами (на фиг. 1, 2 и 3 показаны условно).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Перед спуском устройства в горизонтальную скважину длину L полого ствола 7 (см. фиг. 1 и 2) подбирают такой длины, чтобы герметично перекрыть с двух сторон обрабатываемый интервал пласта в горизонтальной скважине, например L=8 м при длине интервала обрабатываемого пласта 7 м.

Устройство в исходном положении, как показано на фиг. 1, на колонне труб 30, например колонне насосно-компрессорных труб (НКТ), спускают в горизонтальный ствол 16 скважины в интервал пласта, подлежащий обработке.

Размещают устройство в горизонтальном стволе 16 скважины так, чтобы дополнительный пакер 4 и основной пакер 1 находились соответственно правее и левее обрабатываемого интервала пласта, размещенного напротив полого ствола 7 длиной L с радиальными каналами 8.

Далее производят посадку основного пакера 1 (см. фиг. 1) и дополнительного пакера 4 на внутренней стенке открытого ствола 16 горизонтальной скважины.

Для этого на устье скважины колонну труб 30 обвязывают с насосным агрегатом (на фиг. 1 и 2 не показан), например цементировочным агрегатом ЦА-320, и под давлением производят закачку жидкости, например сточной воды плотностью 1100 кг/м³, в колонну труб 30 (см. фиг. 1).

Жидкость по колонне труб 30 под давлением, например, 3,0 МПа, воздействует на пробку 19 и срезает ее разрушаемый элемент 20, при этом открывается радиальное отверстие 13 полой втулки 12, а пробка упирается в срезное кольцо 20' (см. фиг. 2), закрепленное в цилиндрической втулке 6.

Размещение пробки 19 напротив радиального отверстия 13 полой втулки 12 исключает самопроизвольную посадку основного 1 и дополнительного 4 пакеров в процессе спуска устройства в горизонтальный ствол 16 скважины.

В результате внутреннее пространство колонны труб 30 посредством радиального отверстия 13 полой втулки 12 гидравлически сообщается с внутренней полостью 10 дополнительного надувного резинового элемента 5 дополнительного пакера 4 с помощью кольцевой выборки 14 и гидравлического канала 15. Далее жидкость через внутренние пространства полого корпуса 21 и цилиндрической втулки 6 дополнительного пакера 4, радиальное отверстие 13 и кольцевую выборку 14, гидравлический канал 15 цилиндрической втулки 6 дополнительного пакера 4 поступает во внутреннюю полость 10 дополнительного надувного резинового элемента 5 дополнительного пакера 4, а оттуда через трубку 11 жидкость поступает во внутреннюю полость 9 основного надувного резинового элемента 2 основного пакера 1, при этом пробка 19 уперта в срезное кольцо 20', закрепленное в цилиндрической втулке 6, и герметично размещается, с одной стороны, в полой втулке 12, а с другой - в цилиндрической втулке 6 дополнительного пакера 4, что исключает переток жидкости под полую втулку 12.

Дополнительный надувной резиновый элемент 5 дополнительного пакера 4 и основной надувной резиновый элемент 2 основного пакера 1 начинают раздуваться и расширяться радиально. Таким образом, начинается посадка (запакеровка) основного пакера 1 и дополнительного пакера 4 в горизонтальной скважине.

Продолжают закачивать жидкость, при этом дополнительный надувной резиновый элемент 5 дополнительного пакера 4 и основной надувной резиновый элемент 2 основного пакера 1 герметично прижимаются к внутренним стенкам скважины (см. фиг. 2).

В предлагаемом устройстве в отличие от прототипа осуществляется гидравлическая посадка в открытом стволе 16 горизонтальной скважины основного 1 и дополнительного 4 пакеров, что в горизонтальной скважине позволяет исключить зависимость герметичности посадки от веса труб, в связи с чем повышается надежность работы устройства. Также вследствие отсутствия разгрузки колонны труб 30 на устройство исключается сползание устройства с заданного интервала посадки основного 1 и дополнительного 4 пакеров, в связи с чем повышается эффективность работы устройства. При достижении в колонне труб 30 гидравлического давления, например, 5,0 МПа происходит разрушение срезного кольца 20'. После чего полая втулка 12 (см. фиг. 1 и 2) перемещается ограниченно на длину а, например, равную 0,5 м, до упора в торец 31 (см. фиг. 3) цилиндрической втулки 6. Также полая втулка 12 перемещается относительно полого корпуса 21 на длину b=а и относительно цилиндрической втулки 6 дополнительного пакера 4 на длину с=b, т.е. а=b=с.

В результате полая втулка 12 (см. фиг. 2) сжимает пружину 18, при этом происходит фиксация разрезного стопорного кольца 23, находящегося во внутренней кольцевой выборке 22 полого корпуса 21 в наружной кольцевой проточке 17 полой втулки 12, т.е. происходит фиксация полой втулки 12 относительно полого корпуса 21, при этом радиальное отверстие 13 полой втулки 12 герметично отсекается внутренней поверхностью 25 цилиндрической втулки 6 дополнительного пакера 4.

Продолжают повышать давление в колонне труб 30 и при достижении давления, например, 8,0 МПа происходит срезание разрушаемого элемента 20 пробки 19, при этом пробка 19 перемещается до упора во внутренний уступ 26, выполненный на конце проходного корпуса 3 основного пакера 1. В результате жидкость по колонне труб 30 и внутреннему пространству устройства перетекает через радиальные каналы 8 полого ствола 7 в обрабатываемый интервал пласта.

Процесс запакеровки основного 1 и дополнительного 4 пакеров на внутренней стенке скважины окончен. Далее начинают обработку пласта.

Для этого производят замену жидкости на реагент, например 12%-ный водный раствор соляной кислоты (HCl), которую с помощью насосного агрегата, расположенного на устье открытого горизонтального ствола 16 скважины, по колонне труб 30 (см. фиг. 2) через внутренние пространства полого корпуса 21, полой втулки 12, внутреннее пространство 28 цилиндрической втулки 6 и далее через ряды радиальных каналов 8 полого ствола 7 закачивают в обрабатываемый интервал пласта под давлением приемистости обрабатываемого пласта, например, 18,0 МПа. Во внутренней полости 9 основного надувного резинового элемента 2 основного пакера 1 и во внутренней полости 10 дополнительного надувного резинового элемента 5 дополнительного пакера 4 сохраняется давление 5,0 МПа, вследствие чего основной 1 и дополнительный 4 пакеры остаются в запакерованном состоянии.

По окончании закачки заданного объема реагента давление закачки сбрасывают до нуля и производят распакеровку основного 1 и дополнительного 4 пакеров.

Для этого с устья скважины производят натяжение колонны труб 30 вверх, например, на 5,5⋅10⁴ Н, происходит выход разрезного стопорного кольца 23, находящегося во внутренней кольцевой выборке 22 полого корпусе 21, из наружной кольцевой проточки 17 полой втулки 12.

Далее полая втулка 12 под действием возвратной силы пружины 18 возвращается в исходное положение (см. фиг. 1), радиальное отверстие 13 полой втулки 12 открывается и давление во внутренних полостях 9 и 10 соответственно основного надувного резинового элемента 2 основного пакера 1 и дополнительного надувного резинового элемента 5 дополнительного пакера 4 стравливается.

В результате основной надувной резиновый элемент 2 основного пакера 1 и дополнительный надувной резиновый элемент 5 дополнительного пакера 4 радиально сжимаются внутрь и отходят от внутренних стенок открытого горизонтального ствола 16 скважины. Далее устройство извлекают из горизонтальной скважины на устье.

Предлагаемое устройство в сравнении с прототипом имеет более 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.

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 горизонтальном стволе скважины.