СПОСОБ ВТОРИЧНОГО ВСКРЫТИЯ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК E21B43/112 

Изобретение относится к области бурения и эксплуатации скважин, в частности к технологии вторичного вскрытия продуктивных пластов, и может быть использовано при строительстве скважин различного назначения.

Известен способ гидропескоструйной перфорации обсаженных скважин, включающий спуск перфорационного устройства в скважину, подачу абразивной жидкости (несущей жидкости с абразивной твердой фазой) под давлением через гидромониторные насадки на стенку обсадной колонны, при этом абразивные струи перфорируют последовательно стенку обсадной колонны, цементное кольцо, затем через выполненные перфорационные отверстия формируют каналы в продуктивном пласту (RU № 2078912, Е21В 43/114).

Недостатком данного способа является образование каналов незначительной глубины, что обусловлено тем, что при «точечной» перфорации диаметр перфорируемых в колонне отверстий незначительно превышает диаметр струи и, как следствие, возникает оттеснение струи от действия встречного потока отраженной струи, в результате чего пробивная способность струи существенно (в 2-4 раза) снижается по сравнению с условиями разрушения породы при отсутствии колонны.

Также известен способ гидропескоструйной щелевой перфорации обсаженных скважин, включающий спуск устройства на колонне труб до интервала перфорации, создание давления в этих трубах и перфорацию гидропескоструйным способом стенки обсадной колонны в виде щели. Щелевая перфорация обсадной колонны обеспечивает более свободный выход встречного отраженного потока и, соответственно, большую сохранность разрушающей силы струи при последующей перфорации продуктивного пласта (RU № 2282714 Е21В 43/114).

Недостатком данного способа является то, что гидропескоструйное формирование протяженных перфорационных щелей в обсадной трубе сопровождается большим суммарным объемом гидропескоструйных работ, требует высокого расхода абразивного материала, сопровождается накоплением на забое песчаной пробки большой высоты и, соответственно, большим объемом работ по его удалению.

Известен способ гидропескоструйной перфорации продуктивных пластов с предварительным созданием отверстий в обсадной колонне, включающий предварительное прокалывание стенки скважины механическим пробойником или пробивание стенки скважины автономным кумулятивным зарядом, после чего струю с абразивом направляют в полученное отверстие (RU № 2167274, Е21В 43/114, 1998).

Способ позволяет значительно снизить объем гидропескоструйных работ и сопутствующих им высоких затрат за счет формирования абразивной среды непосредственно в полости скважины после доставки абразива и текучей среды в скважину, но обладает недостатком, заключающимся в малой вероятности попадания абразивной струи в полученное отверстие, а при кумулятивном способе пробивания стенки при срабатывании взрывчатого вещества возникает высокое давление, которое разрушает цементное кольцо, вызывая межпластовые перетоки флюидов.

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ вторичного вскрытия продуктивных пластов, включающий получение перфорационных щелей в эксплуатационной колонне посредством спуска перфорационного устройства в скважину на колонне насосно-компрессорных труб, формирование в эксплуатационной колонне перфорационных щелей с помощью перемещаемых вверх и вниз двух диаметрально расположенных выдвижных дисков при ступенчатом увеличении давления и последующую подачу в полученные щели через гидромониторные насадки жидкости вскрытия в виде двух противоположно направленных струй, обеспечивающих разрушение цементного камня и промывку забоя (RU 2256066, Е21В 43/114, 2003).

Известен гидромеханический скважинный перфоратор, содержащий корпус с размещенным в нем с возможностью осевого перемещения подпружиненным поршнем-толкателем, установленные неподвижно на поршне-толкателе верхний клин, именуемый клиновой вилкой, и нижний клин, именуемый опорным клином, смонтированный на вертикальных тягах поршня-толкателя, между которыми расположен режущий инструмент в виде коромысла, т.е. двуплечего рычага, смонтированного на неподвижной оси, установленной на корпусе, с возможностью поворота на некоторый угол вокруг этой неподвижной оси. При этом верхний клин установлен над коромыслом с возможностью взаимодействия с ним, а нижний клин - под коромыслом с возможностью взаимодействия с ним, в плечах коромысла установлены на осях два накатных диска, а поршень-толкатель снабжен двумя противоположно направленными гидромониторными насадками, оси которых находятся в плоскости выдвижения дисков (RU № 2249678, Е21В 43/114, 2003).

Указанный перфоратор позволяет одновременно формировать в обсадной колонне две продольные диаметрально противоположные перфорационные щели с последующим намывом через эти щели каверн в заколонной породе с помощью двух высоконапорных струй жидкости, подаваемых через две гидромониторные насадки.

К недостаткам известных способа и устройства относятся низкая надежность процесса перфорационных работ и невысокая эффективность разрушения заколонного цементного камня и горной породы, что обусловлено следующими факторами.

Колонна НКТ, на которой перфоратор спускается в скважину, не обладает большой крутильной жесткостью, в силу чего при спуско-подъемных и технологических операциях, сопровождаемых изменениями механических и гидравлических нагрузок на колонну, происходят крутильные деформации колонны НКТ и круговое смещение подвешенного на НКТ устройства. При работе перфоратора единственным элементом, обеспечивающим жесткую круговую ориентацию устройства и, соответственно, гидромониторных насадок относительно перфорационных щелей, являются находящиеся в перфорационных щелях накатные диски, при этом даже при кратковременной остановке циркуляции и сбросе рабочего давления диски под действием возвратной пружины выходят из щелей и возвращаются в корпус, в результате чего круговая ориентация устройства относительно перфорационных щелей в силу круговых движений устройства и НКТ может нарушиться. В этом случае при возобновлении циркуляции накатные диски могут не попадать обратно в щели, и ориентация гидромониторных насадок относительно перфорационных щелей будет нарушена. В этой ситуации последующий гидромониторный или гидропескоструйный намыв каверн в пласту через перфорационные щели становится невозможным, т.к. подаваемые через насадки струи не будут попадать в перфорационные щели. Единственным условием, гарантирующим надежность проведения струйной обработки продуктивного пласта через прорезанные в колонне щели, является непрерывное нахождение дисков в перфорационных щелях при переходе с формирования щелей в колонне к струйной перфорации продуктивного пласта.

В известном перфораторе конструкция режущего узла и механизма его вывода и возврата не позволяет фиксировать накатные диски в перфорационных щелях при остановках циркуляции и сброшенном давлении. Поэтому всю технологическую операцию по прорезанию щелей в колонне и последующему струйному размыву через них продуктивного пласта приходится выполнять без прерывания циркуляции с использованием одной и той же рабочей жидкости, что препятствует применению в составе данной технологии более эффективных и производительных методов перфорации продуктивных пластов, к которым относится эрозионная перфорация абразивными средами (гидропескоструйная, газогидропескоструйная, газопескоструйная и др.).

В основу предлагаемых изобретений положена задача создания способа и устройства для вторичного вскрытия продуктивных пластов, обеспечивающих повышение надежности проведения комплекса перфорационных работ и увеличение глубины перфорационных каналов за счет обеспечения сохранения круговой ориентации перфорационного устройства относительно сформированных перфорационных щелей на период остановки циркуляции жидкости и, соответственно, разделения во времени процессов прорезания перфорационных щелей в колонне и струйной перфорации продуктивного пласта с получением возможности замены рабочей жидкости этапа прорезания щелей на абразивную жидкость на этапе струйной перфорации.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе вторичного вскрытия продуктивных пластов, включающем спуск перфорационного устройства в скважину на колонне насосно-компрессорных труб, формирование в стенке обсадной колонны двух диаметрально расположенных щелевых отверстий посредством двух накатных дисков, перемещаемых в возвратно-поступательном направлении в пределах заданной величины щелевого отверстия в режиме увеличения усилия вдавливания указанных дисков в стенки колонны путем последовательного повышения давления и расхода циркулирующей промывочной жидкости, производят фиксирование перфорационного устройства в колонне после расширения образованных сквозных щелевых отверстий до номинальной толщины накатных дисков, затем при сохранении режима циркуляции промывочной жидкости осуществляют подъем перфорационного устройства вверх при заданной осевой натяжке до упора накатных дисков в верхние кромки сформированных щелей и при сохранении указанной величины осевой натяжки осуществляют остановку циркуляции промывочной жидкости, после чего производят переналадку устьевого оборудования с закачки промывочной жидкости на закачку абразивной жидкости и осуществляют эрозионное разрушение заколонной горной породы путем подачи абразивной жидкости с заданным рабочим давлением в две противоположно направленные гидромониторные насадки, ориентированные в направлениях сформированных перфорационных щелей, осуществляя поступательное перемещение перфорационного устройства в пределах упомянутых щелей.

Поставленная задача достигается также тем, что устройство для вторичного вскрытия продуктивных пластов содержит корпус, размещенный в нем подпружиненный поршень-толкатель с осевым центральным и двумя боковыми радиальными каналами с установленными в них гидромониторными насадками и выдвижной режущий инструмент в виде двух установленных друг над другом накатных дисков с механизмами их радиального выдвижения и возврата в исходное положение, причем механизм выдвижения накатных дисков включает размещенный между двумя вертикальными тягами вилки, жестко связанной с нижним торцом поршня-толкателя двуплечий рычаг, смонтированный на подвижной центральной оси, в плечах которого шарнирно установлены накатные диски, и установленный неподвижно в нижней части корпуса отклоняющий клин с заданным углом наклона рабочей поверхности к оси устройства и направляющей щелью для нижнего накатного диска, взаимодействующий с нижним плечом двуплечего рычага при осевом перемещении поршня-толкателя, а механизм возврата накатных дисков в исходное положение выполнен в виде размещенных между корпусом и нижним плечом двуплечего рычага боковых пластин с направляющими пазами, параллельными рабочей поверхности отклоняющего клина, в которых с зазором установлены концы оси нижнего накатного диска. В предпочтительном варианте двуплечий рычаг выполнен в виде двух фигурных пластин.

Сущность предлагаемых изобретений поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид устройства, на фиг.2 - поперечное сечение по А-А фиг.1, на фиг.3 - вид сбоку фиг 1, на фиг.4 приведена схема фиксации устройства в рабочем положении при остановленной циркуляции.

Предлагаемое устройство содержит переводник 1, гидроцилиндр 2 и корпус 3, соединенные между собой посредством резьбы. В гидроцилиндре 2 расположен поршень-толкатель 4, подпружиненный пружиной 5 относительно гидроцилиндра 2. В нижней части поршня-толкателя 4 установлена вилка 6, имеющая две вертикальные тяги 7, между которыми расположен и на которых шарнирно установлен посредством оси 8 двуплечий рычаг, содержащий две фигурные пластины 9 (фиг.2), между которыми в плечах рычага на осях 10 и 11 установлены два накатных диска 12 и 13. В нижней части корпуса 3 неподвижно установлен отклоняющий клин 14 с рабочей поверхностью, выполненной под углом к оси устройства, и центральной щелью для прохождения нижнего накатного диска 13. Ось 11 нижнего диска выполнена ступенчатой с малыми диаметрами на концах, которые расположены с зазором в направляющих пазах 15 боковых пластин 16, при этом направляющие пазы боковых пластин выполнены параллельно рабочей поверхности отклоняющего клина 14. Боковые пластины 16 с направляющими пазами и нижняя ось 11 с концами малого диаметра составляют возвратный механизм, обеспечивающий разворот двуплечего рычага с дисками в исходное положение при движении поршня-толкателя вверх под действием возвратной пружины 5 после остановки циркуляции жидкости. В поршне-толкателе 4 имеется осевой канал 17, переходящий в верхней части вилки 6 в два радиальных диаметрально противоположных отверстия, в которых установлены две гидромониторные насадки 18. Оси гидромониторных насадок 18 находятся в плоскости выдвижения дисков 12 и 13.

Способ с помощью предлагаемого устройства осуществляют следующим образом.

На колонне НКТ устройство спускают в скважину на глубину выполнения перфорационных щелей. При создании прямой циркуляции через осевой канал 17 и гидромониторные насадки 18 на поршне-толкателе 4 возникает рабочее давление, под действием которого поршень-толкатель, сжимая возвратную пружину 5, перемещается вниз вместе с установленной на нем вилкой 6 и двуплечим рычагом на оси 8. По мере движения поршня-толкателя 4 с вилкой 6 вниз нижние кромки пластин 9 взаимодействуют с отклоняющим клином 14, в результате чего двуплечий рычаг поворачивается вокруг оси 8, а накатные диски 12 и 13 выходят из корпуса 3 в диаметрально противоположные стороны до упора в эксплуатационную колонну с определенным усилием.

Формирование щелей осуществляется попеременным осевым перемещением инструмента вверх и вниз на длину щели, при этом образование щелей в эксплуатационной колонне обеспечивается механическим воздействием режущих кромок накатных дисков. Производя постепенное повышение расхода промывочной жидкости и давления в инструменте, увеличивают усилие вдавливания накатных дисков в стенки эксплуатационной колонны. После образования сквозных щелей в эксплуатационной колонне происходит их расширение до толщины рабочей части дисков при выходе последних из корпуса устройства до максимальной величины, предусмотренной конструкцией перфоратора.

Далее при сохранении циркуляции через устройство и рабочего давления на поршне-толкателе 4 колонну НКТ с перфоратором поднимают вверх до упора каждого диска 12 и 13 в верхний край соответствующей ему щели и фиксируют инструмент в этом положении, обеспечив некоторую контрольную осевую натяжку (регистрируется по индикатору веса на поверхности). При этом диски 12 и 13 оказываются зафиксированными в рабочем (выдвинутом в щель) положении между верхней кромкой щели и отклоняющим клином 14. Фиксация дисков 12, 13 в перфорационных щелях обеспечивается следующим образом (на примере нижнего диска, фиг.4). После остановки циркуляции и падения давления на поршне-толкателе 4 все детали перфоратора под действием возвратной пружины 5 стремятся вернуться в исходное положение. Диск (центр его оси т. В') имеет возможность возвращаться в исходное положение только вдоль направляющих пазов по прямой В'-В, параллельной рабочим поверхностям отклоняющего клина (условно прямая М), при этом точка С' обода диска, отстоящая на максимальное расстояние от рабочей поверхности клина, будет перемещаться по линии С'-С, параллельной линии В'-В и линии М. Расстояние между прямой В'-В и прямой С'-С равно радиусу диска R. При подъеме перфоратора вверх до упора дисков в верхние края щелей диск, перемещаясь в перфорационной щели, упрется в верхнюю кромку щели в некоторой точке Д. Если при этом 1) точка Д не будет совпадать с точкой С' и 2) точка С' будет находиться за пределами обсадной трубы, тогда прямая Д-Д', перпендикулярная к В'-В и С'-С и находящаяся между С'-В' и С-В, будет меньше величины R и диск не сможет вернуться в исходное положение под действием возвратной пружины при прекращении циркуляции. Это условие будет выполняться при определенной величине выхода диска за обсадную колонну, которое выражается зависимостью:

(где: - величина радиального выхода диска за внутреннюю поверхность обсадной трубы в рабочем положении; R - радиус диска; - угол между продольной осью перфоратора и наклонной рабочей поверхностью отклоняющего клина). При этом условии величина просвета между рабочей поверхностью клина и верхним краем щели, через который должен пройти диск при своем возврате в исходное положение, будет меньше габаритного размера между рабочей поверхностью клина и наиболее удаленной от него точкой диска, и диск останется защемленным между клином и обсадной трубой. Условия данной зависимости при работе перфорационного устройства обеспечиваются его конструкцией.

Далее при остановленной циркуляции производят наладку и обвязку устьевого оборудования на закачку абразивной жидкости, возобновляют циркуляцию и, создав в инструменте необходимое рабочее давление, ликвидируют натяжку колонны НКТ и производят гидропескоструйную перфорацию продуктивного пласта, перемещая устройство вверх и вниз в пределах длины перфорационных щелей.

Благодаря размещению двуплечего рычага на подвижных элементах поршня-толкателя с возможностью осевого перемещения центральной оси двуплечего рычага (в отличии от прототипа) последний при возвращении в транспортное положение предлагаемого устройства совершает одновременно вращательное движение вокруг центральной оси и прямолинейное движение вверх вместе с осью параллельно продольной оси устройства, что обуславливает суммарную траекторию движения дисков, позволяющую блокировать движение дисков из рабочего положения в исходное с помощью верхних кромок перфорационных щелей.

Предварительное формирование щелей большой протяженности (до нескольких метров) в эксплуатационной колонне методом пластической деформации металла позволяет произвести эффективное и экономичное вскрытие продуктивного пласта гидропескоструйным методом, не сопровождается ударными нагрузками и позволяет при гидропескоструйной перфорации продуктивного пласта обеспечить свободный выход в обе стороны вдоль щели отраженного потока жидкости обратно в обсадную колонну с высокой надежностью попадания абразивной струи в перфорационные щели, что значительно снижает потери напора струи и увеличивает глубину перфорационных каналов.

Предложенные технические решения благодаря надежной фиксации гидромониторных насадок перфоратора относительно перфорационных щелей в колонне на период остановки циркуляции жидкости позволяют повысить качество и эффективность перфорационных работ в обсаженных скважинах за счет совместного применения в единой технологии за один спуск инструмента способа формирования в эксплуатационной колонне безударным методом двух протяженных перфорационных щелей и высокоэффективных методов абразивного вскрытия продуктивных пластов (гидропескоструйных, газогидропескоструйных, газопескоструйных и др.), требующих после формирования щелей в обсадных трубах специальных подготовительных работ с остановкой циркуляции и сбросом рабочего давления в колонне.

Группа изобретений относится к области бурения и эксплуатации скважин, в частности к технологии вторичного вскрытия продуктивных пластов, и может быть использована при строительстве скважин различного назначения. Технический результат - повышение надежности проведения комплекса перфорационных работ и увеличение глубины перфорационных каналов за счет обеспечения сохранения круговой ориентации перфорационного устройства относительно сформированных перфорационных щелей на период остановки циркуляции жидкости, разделения во времени процессов прорезания перфорационных щелей в колонне и струйной перфорации продуктивного пласта. Способ вторичного вскрытия продуктивных пластов заключается в том, что осуществляют спуск перфорационного устройства в скважину на колонне насосно-компрессорных труб с последующим формированием в стенке обсадной колонны двух диаметрально расположенных щелевых отверстий посредством двух накатных дисков, перемещаемых в возвратно-поступательном направлении в пределах заданной величины щелевого отверстия в режиме увеличения усилия вдавливания указанных дисков в стенки колонны путем последовательного повышения давления и расхода циркулирующей промывочной жидкости. Затем после расширения образованных сквозных щелевых отверстий до номинальной толщины накатных дисков производят фиксирование перфорационного устройства в колонне и в режиме циркуляции промывочной жидкости осуществляют подъем перфорационного устройства вверх при заданной осевой натяжке до упора накатных дисков в верхние кромки сформированных щелей. После чего, при сохранении указанной величины осевой натяжки, производят остановку циркуляции промывочной жидкости, осуществляют переналадку устьевого оборудования с закачки промывочной жидкости на закачку абразивной жидкости и производят эрозионное разрушение заколонной горной породы путем подачи абразивной жидкости с заданным рабочим давлением в две противоположно направленные гидромониторные насадки, ориентированные в направлениях сформированных перфорационных щелей, осуществляя поступательное перемещение перфорационного устройства в пределах упомянутых щелей. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ вторичного вскрытия продуктивных пластов, заключающийся в том, что осуществляют спуск перфорационного устройства в скважину на колонне насосно-компрессорных труб с последующим формированием в стенке обсадной колонны двух диаметрально расположенных щелевых отверстий посредством двух накатных дисков, перемещаемых в возвратно-поступательном направлении в пределах заданной величины щелевого отверстия в режиме увеличения усилия вдавливания указанных дисков в стенки колонны путем последовательного повышения давления и расхода циркулирующей промывочной жидкости, затем, после расширения образованных сквозных щелевых отверстий до номинальной толщины накатных дисков, производят фиксирование перфорационного устройства в колонне и в режиме циркуляции промывочной жидкости осуществляют подъем перфорационного устройства вверх при заданной осевой натяжке до упора накатных дисков в верхние кромки сформированных щелей, после чего, при сохранении указанной величины осевой натяжки, производят остановку циркуляции промывочной жидкости, осуществляют переналадку устьевого оборудования с закачки промывочной жидкости на закачку абразивной жидкости и производят эррозионное разрушение заколонной горной породы путем подачи абразивной жидкости с заданным рабочим давлением в две противоположно направленные гидромониторные насадки, ориентированные в направлениях сформированных перфорационных щелей, осуществляя поступательное перемещение перфорационного устройства в пределах упомянутых щелей.

2. Устройство для вторичного вскрытия продуктивных пластов, содержащее корпус, размещенный в нем подпружиненный поршень-толкатель с осевым центральным и двумя боковыми радиальными каналами с установленными в них гидромониторными насадками, и выдвижной режущий инструмент в виде двух установленных друг над другом накатных дисков с механизмами их радиального выдвижения и возврата в исходное положение, причем механизм выдвижения накатных дисков включает размещенный между двумя вертикальными тягами вилки, жестко связанной с нижним торцем поршня-толкателя, двуплечий рычаг, смонтированный на подвижной центральной оси, в плечах которого шарнирно установлены накатные диски, и установленный неподвижно в нижней части корпуса отклоняющий клин с заданным углом наклона рабочей поверхности к оси устройства и направляющей щелью для нижнего накатного диска, взаимодействующий с нижним плечом двуплечевого рычага при осевом перемещении поршня-толкателя, а механизм возврата накатных дисков в исходное положение выполнен в виде размещенных между корпусом и нижним плечом двуплечевого рычага боковых пластин с направляющими пазами, параллельными рабочей поверхности отклоняющего клина, в которых с зазором установлены концы оси нижнего накатного диска.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что двуплечий рычаг выполнен в виде двух фигурных пластин.