УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПЛАСТОВ В ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СКВАЖИНЕ Российский патент 2015 года по МПК E21B33/12 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для разобщения пластов в горизонтальной скважине при раздельной закачке в них различных реагентов.

Известно устройство для обработки пластов в скважине (патент RU №2282017, МПК Е21В 33/12, опубл. в бюл. №23 от 20.08.2006 г.), содержащее пакер, включающий проходной корпус и эластичную манжету, разобщитель, включающий ствол с радиальными каналами и внутренней цилиндрической выборкой, золотник с двумя рядами радиальных каналов, разделенных поперечной глухой перегородкой и вставленный в ствол, установленную внутри золотника втулку с посадочным седлом для шара, сбрасываемого внутрь устройства перед пласта, находящегося выше пакера, при этом верхний ряд радиальных каналов золотника находится напротив радиальных каналов ствола, а ствол, золотник и втулка соединены между собой дифференциальными срезными элементами, причем перед пласта, находящегося выше пакера верхние и нижние ряды радиальных каналов золотника сообщаются между собой посредством внутренней цилиндрической выборки ствола, гидравлически соединяя внутреннее пространство насосно-компрессорных труб с внутренним пространством корпуса пакера, при этом устройство выше разобщителя на расстоянии от пакера, превышающем толщину верхнего пласта, снабжено дополнительным пакером, состоящим из цилиндра сверху и дополнительной эластичной манжеты, установленной на соединенном с разобщителем посредством муфты полом основании, с которым вверху жестко соединен поршень, и жестко связанного с колонной насосно-компрессорных труб цилиндра, в который телескопически установлен поршень с возможностью осевого перемещения вверх, образующего с поршнем полость, гидравлически соединенную с внутренним пространством насосно-компрессорных труб, причем цилиндр выполнен с возможностью взаимодействия с дополнительной эластичной манжетой.

Недостатками данного устройства являются:

- во-первых, сложность конструкции, обусловленная наличием большого количества узлов и деталей;

- во-вторых, сложность и дороговизна изготовления как самого устройства, так и проточек на наружной поверхности проходного корпуса пакера;

- в-третьих, ограниченное кольцевое пространство разобщителя между стволом и золотником, в связи с чем через данное кольцевое пространство невозможно закачать высоковязкий химический состав.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для обработки пластов в скважине (патент RU №2499126, МПК Е21В 33/12, опубл. в бюл. №32 от 20.11.2013 г.), 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, разобщитель, включающий ствол с верхней и нижней резьбой, и золотник, расположенный внутри ствола и соединенный с ним срезными элементами, золотник снабжен конусной расточкой, в которой установлено стопорное кольцо, взаимодействующее с кольцевой проточкой, расположенной в нижней части ствола, и посадочным седлом для шара, сбрасываемого вовнутрь устройства перед обработкой пласта, находящегося выше пакера, и нижнее кольцо, навернутое на нижнюю резьбу ствола, при этом фигурный паз на наружной поверхности проходного корпуса пакера выполнен в виде поперечной и продольной проточек, расположенных перпендикулярно друг к другу и соединенных между собой в нижней части продольной проточки, причем снизу золотник снабжен осевым центральным отверстием, а нижнее кольцо выполнено 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 жесткозакрепленным 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 шара на седло золотника и осевого перемещения золотника относительно ствола разобщителя, а кольцевая проточка ствола, взаимодействующая со стопорным кольцом, выполнена в виде кольцевых насечек, направленных противоположно стопорному кольцу.

Недостатками данного устройства являются:

во-первых, высокая вероятность негерметичной посадки пакера в горизонтальном стволе скважины или потеря герметичности пакера в процессе работы из-за низких радиальных нагрузок на растяжение на эластичный элемент ввиду невозможности создания достаточной осевой нагрузки для герметизации эластичной манжеты в горизонтальном стволе скважины, а также из-за затекания эластичного элемента под верхнюю и/или нижнюю опоры;

во-вторых, ограниченные функциональные возможности вследствие того, что невозможно производить работы в горизонтальных скважинах ввиду того, что в горизонтальном положении невозможно посадить бросовый элемент, выполненный в виде шара, на седло золотника и, соответственно, переместить золотник относительно ствола разобщителя;

в-третьих, низкая надежность работы устройства, связанная с большой вероятностью поломки и срыва стопорного кольца из кольцевых насечек ствола разобщителя;

Технической задачей предложения является исключение негерметичной посадки пакера устройства в горизонтальном стволе скважины или потери герметичности пакера в процессе работы, а также расширение функциональных возможностей работы устройства и повышение надежности его работы.

Поставленная задача решается устройством для обработки пластов в горизонтальной скважине, содержащим пакер, включающий проходной в осевом направлении корпус с эластичной манжетой, сверху корпус пакера жестко соединен с разобщителем, включающим ствол с радиальными отверстиями с верхней и нижней резьбами, золотник, расположенный внутри ствола и соединенный с ним срезным элементом, и стержень, золотник снабжен посадочным седлом для бросового элемента, сбрасываемого вовнутрь устройства перед обработкой пласта, находящегося выше пакера, нижнее кольцо, выполненное в виде крышки, навернутой на нижнюю резьбу ствола разобщителя, причем снизу крышка снабжена наружной резьбой для соединения с корпусом проходного пакера.

Новым является то, что на проходном корпусе пакера выполнены зубчатые насечки, а ниже на проходном корпусе выполнены сквозные пазы, причем на наружной поверхности проходного корпуса установлен толкатель, оснащенный стопорным кольцом выше зубчатых насечек проходного корпуса, при этом толкатель посредством срезных винтов, установленных в сквозные пазы проходного корпуса, соединен с подвижным седлом, установленном внутри проходного корпуса, при этом подвижное седло оснащено обратным клапаном, пропускающим снизу вверх, причем толкатель имеет возможность осевого воздействия на эластичную манжету, выполненную сборной из чередующихся резиновых и металлических колец с осевым сжатием и радиальным расширением наружу резиновых колец эластичной манжеты пакера, при этом при осевом перемещении вниз толкателя совместно с подвижным седлом относительно проходного корпуса толкатель имеет возможность фиксации стопорным кольцом в зубчатых насечках проходного корпуса с разрушением срезных винтов подвижного седла, причем нижнее металлическое кольцо зафиксировано к проходному корпусу срезным элементом, при этом золотник снизу снабжен жесткозакрепленным к нему стержнем, а также осевыми отверстиями по окружности, причем крышка снабжена осевым центральным отверстием, имеющим возможность герметичного взаимодействия со стержнем золотника, при этом бросовый элемент выполнен в виде продавочной пробки, причем ствол разобщителя оснащен двумя внутренними кольцевыми проточками, оснащенными разрезными пружинными стопорными кольцами, имеющими возможность фиксации продавочной пробки за его верхний торец после осевого перемещения золотника относительно ствола разобщителя.

На фигуре 1 схематично изображен пакер.

На фигуре 2 схематично изображен разобщитель при обработке пласта (интервала обработки горизонтальной скважины), находящегося под пакером.

На фигуре 3 схематично изображен разобщитель при обработке пласта (интервала обработки горизонтальной скважины), находящегося над пакером.

На фигуре 4 изображено поперечное сечение золотника разобщителя.

Устройство для обработки пластов в горизонтальной скважине состоит из пакера и разобщителя. Пакер содержит проходной корпус 1 (фиг. 1), на котором сверху выполнены зубчатые насечки 2, а ниже - сквозные пазы 3 (например, три сквозных паза).

На наружной поверхности корпуса 1 установлен толкатель 4, оснащенный стопорным кольцом 5 выше зубчатых насечек 2 проходного корпуса 1 пакера.

Толкатель 4 посредством срезных винтов 6 в количестве трех штук, установленных в сквозные пазы 3 проходного корпуса 1, соединен с подвижным седлом 7, установленном в проходном корпусе 1. Подвижное седло оснащено обратным клапаном 8, пропускающим снизу вверх. Толкатель 4 имеет возможность осевого воздействия на эластичную манжету 9, выполненную сборной из чередующихся резиновых 10 и металлических 11 колец с осевым сжатием и радиальным расширением наружу резиновых колец 10 эластичной манжеты 9. При осевом перемещении вниз толкателя 4 совместно с подвижным седлом 8 относительно проходного корпуса 1 пакера толкатель 4 имеет возможность фиксации стопорным кольцом 5 в зубчатых насечках 2 проходного корпуса 1 пакера с разрушением срезных винтов 7 подвижного седла 8. Нижнее металлическое кольцо 11 зафиксировано к проходному корпусу 1 пакера срезным элементом 12. Сопрягаемые поверхности пакера снабжены уплотнительными элементами (на фигурах 1, 2, 3, 4 показано условно).

Сверху проходной корпус 1 (см. фиг. 1 и 2) пакера жестко соединен с разобщителем, например с помощью муфты (на фиг. 1, 2, 3, 4 не показано).

Разобщитель включает ствол 13 (см. фиг. 2) с радиальными отверстиями 14 с верхней 15 и нижней 16 резьбами и золотник 17, расположенный внутри ствола 13 и соединенный с ним срезным элементом 18.

Золотник 17 снизу снабжен жесткозакрепленным к нему стержнем 19 (см. фиг. 2 и 3), а также осевыми отверстиями 20 (см. фиг. 4) по окружности и посадочным седлом 21 для бросового элемента 22 сбрасываемого вовнутрь устройства перед обработкой пласта выше пакера.

Нижнее кольцо выполнено в виде крышки 23 (см. фиг. 2 и 3), навернутой на нижнюю резьбу 16 ствола 13 разобщителя.

Снизу крышка 23 снабжена наружной резьбой 24 (фиг. 3) для соединения с вышеупомянутой муфтой (на фиг. 1, 2, 3, 4 не показано) проходного корпуса 1 пакера (см. фиг. 2 и 3).

Крышка 23 снабжена осевым центральным отверстием 25, имеющим возможность герметичного взаимодействия со стержнем 19 золотника 17.

Количество осевых отверстий 20 в золотнике 17, например четыре отверстия диаметром 20 мм каждое, как показано на фигуре 4, выбирают с условием, чтобы пропускная способность (Q₁) осевых отверстий 20 (см. фиг. 2, 3, 4) золотника 17 была меньше пропускной способности (Q₂) центрального отверстия 25 (см. фиг. 3) крышки 23 (Q1<Q2), что позволяет производить закачку вязких химических реагентов, например водонабухающего полимера (ВНП).

Пропускная способность (Q₁) осевых отверстий 20 золотника 17 определяется размерами его поперечного сечения, которое определяется опытным путем исходя из предполагаемой вязкости закачиваемого химического реагента.

Бросовый элемент 22 выполнен в виде продавочной пробки. Стержень 19 имеет возможность герметичного взаимодействия с осевым центральным отверстием 25 крышки 23 после посадки бросового элемента 22 (см. фиг. 3) на посадочное седло 21 золотника 17 и осевого перемещения золотника 17 относительно ствола 13 разобщителя.

Ствол 13 разобщителя оснащен двумя внутренними кольцевыми проточками 26 и 27, оснащенными разрезными пружинными стопорными кольцами 28 и 29 соответственно, имеющими возможность фиксации продавочной пробки за его верхний торец 30 (см. фиг. 3) после осевого перемещения золотника 17 относительно ствола 13 разобщителя.

Разрезные пружинные стопорные кольца 28 и 29 (см. фиг. 2 и 3) выполнены треугольного сечения, как показано на фигурах 2, 3 и 4, с целью фиксации продавочной пробки 22 относительно ствола 17 разобщителя.

С целью исключения несанкционированных перетоков жидкости сопрягаемые поверхности золотника 17 и стержня 19 (см. фиг. 2 и 3) снабжены уплотнительным кольцом 31.

Устройство работает следующим образом.

Устройство (см. фиг. 1 и 2) в собранном виде (сверху разобщитель, снизу пакер) на конце колонны труб (на фиг. 1, 2, 3, 4 не показано) спускают в горизонтальную скважину на необходимую глубину и устанавливают между пластами (интервалами обработки горизонтальной скважины), которые необходимо обработать.

В процессе спуска скважинная жидкость перетекает через устройство в колонну труб, так как обратный клапан 8 (см. фиг. 2) приподнимается вверх благодаря ограничителю (на фиг. 1, 2, 3, 4 показано условно) в пределах подвижного седла 7 и перепускает скважинную жидкость снизу вверх выше устройства через отверстие (на фиг. 1, 2, 3, 4 показано условно) в обратном клапане 8 (см. фиг. 2).

Производят посадку пакера (см. фиг. 1). Для этого герметизируют устье скважины и в колонне труб и проходном корпусе 1 пакера выше подвижного седла 7 создают избыточное гидравлическое давление жидкости, например пресной воды плотностью 1000 кг/м³, которую закачивают с помощью насосного агрегата, установленного на устье скважины (на фиг. 1, 2, 3,4 не показано), например 10,0 МПа.

Под действием избыточного давления (10,0 МПа) подвижное седло 7, соединенное при помощи срезных винтов 6, установленных в продольные сквозные пазы 3 корпуса 1, воздействует на толкатель 4. Подвижное седло 7 с обратным клапаном 8 и толкателем 4 начинают перемещаться вниз по продольным сквозным пазам 3 корпуса 1. В результате толкатель 4 воздействует в осевом направлении вниз на эластичную манжету 9, выполненную сборной из чередующихся резиновых 10 и металлических 11 колец с осевым сжатием и радиальным расширением наружу резиновых колец 10 эластичной манжеты 9 с прижатием к внутренним стенкам скважины, так как нижнее металлическое кольцо 11 зафиксировано к проходному корпусу 1 срезным элементом 12, также при осевом перемещении вниз толкателя 4 совместно с подвижным седлом 7 относительно проходного корпуса 1 толкатель 4 фиксируется стопорным кольцом 5 в зубчатых насечках 2 проходного корпуса 1 пакера с разрушением срезных винтов 6 подвижного седла 7 и падением избыточного гидравлического давления до нуля на манометре насосного агрегата.

Процесс запакеровки пакера окончен. Циркуляцией (подачей жидкости в межколонное пространство и выходом по колонне труб) проверяют герметичность посадки. Отсутствие циркуляции означает герметичность посадки пакера, что исключает негерметичную посадку пакера устройства. Также предлагаемая конструкция пакера исключает потерю его герметичности в процессе работы.

После этого приступают к обработке пласта (интервала обработки горизонтальной скважины), находящегося ниже пакера, например, проводят солянокислотную обработку.

Для этого реагент, например 15% водный раствор соляной кислоты, по колонне труб через ствол 13 разобщителя и осевые отверстия 20 (см. фиг. 2) золотника 17, центральное отверстие 25 крышки 23 и внутреннее пространство проходного корпус 1 (см. фиг. 1) пакера закачивают в нижний пласт и оставляют горизонтальную скважину на реакцию. После выдержки проводят свабирование путем снижения уровня, при этом срезной элемент 18 (см. фиг. 2) неподвижно фиксирует золотник 17 относительно ствола 13 разобщителя.

Затем приступают к обработке пласта (интервала обработки горизонтальной скважины), находящегося выше пакера.

Для этого вовнутрь колонны труб с устья скважины сбрасывают (устанавливают) бросовый элемент 22 (продавочную пробку) и продавливают ее по колонне труб избыточным гидравлическим давлением жидкости, которое создают с помощью насосного агрегата, установленного на устье скважины.

Продавочная пробка 22 по колонне труб достигает разобщителя устройства (см. фиг. 2 и 3), и садится на посадочное седло 21, и перекрывает осевые отверстия 20 золотника 17, о чем свидетельствует резкое повышение избыточного гидравлического давления, например с 3,0 МПа до 7,0 МПа.

Продолжают закачку жидкости в колонну труб и устройство и таким образом повышают избыточное гидравлическое давление еще выше, в результате чего при давлении, например 9,0 МПа, срезной элемент 18 разрушается, золотник 17 перемещается вниз относительно ствола 13 разобщителя до упора в крышку 23, при этом стержень 19 золотника 17 герметично входит в центральное отверстие 25 крышки 23, а разрезное пружинное стопорное кольцо 27 (см. фиг. 3), находящееся во внутренней кольцевой проточке 29, фиксирует продавочную пробку 22 в нижнем положении за его верхний торец 30. В результате открываются радиальные отверстия 18 ствола 17 разобщителя.

Предлагаемая конструкция бросового элемента 22, выполненного в виде продавочной пробки, расширяет функциональные возможности устройства, вследствие того, что позволяет проводить работы в горизонтальных скважинах.

Далее по колонне труб через радиальные каналы 14 (см. фиг. 3) ствола 13 разобщителя производят закачку реагента, например углеводородного растворителя, и оставляют горизонтальную скважину на реакцию.

После выдержки производят свабирование путем снижения уровня, при этом перемещение золотника 17 (см. фиг. 3 и 5) относительно ствола 13 разобщителя исключается благодаря фиксации разрезного пружинного стопорного кольца 27 за верхний торец 30 продавочной пробки 22. Разрезное пружинное стопорное кольцо 26, находящееся во внутренней кольцевой проточке 28 ствола 13 разобщителя, является страховочным и срабатывает в случае поломки (выходе из строя) разрезного пружинного стопорного кольца 27. Например, в процессе свабирования возникает нагрузка на продавочную пробку 22, что может привести к выходу из строя разрезного пружинного стопорного кольца 27, и перемещению вверх продавочной пробки 22 относительно ствола 13 разобщителя, и перекрытию его радиальных отверстий 14.

В результате пласт (интервал обработки горизонтальной скважины), находящийся выше пакера, остается не освоенным свабированием от продуктов реакции, что снижает качество обработки ввиду низкой надежности устройства.

В предлагаемом устройстве с целью повышения надежности работы устройства и обеспечения качественной обработки при возникновении вышеописанной ситуации срабатывает разрезное пружинное стопорное кольцо 27, находящееся во внутренней кольцевой проточке 29 ствола 13 разобщителя, которое фиксирует за верхний торец 30 продавочной пробки 22 относительно ствола 13 разобщителя и исключает перемещение продавочной пробки 22 вверх относительно ствола 13 разобщителя и перекрытие его радиальных отверстий 14.

После обработки пласта (интервала обработки горизонтальной скважины), находящегося над пакером, колонну труб натягивают вверх, например на 120 кН. В результате разрушается срезной элемент 12, фиксирующий нижнее металлическое кольцо 11 эластичной манжеты 9 к проходному корпусу 1 пакера. Резиновые кольца 10 эластичной манжеты 9 пакера отходят от внутренних стенок горизонтальной скважины и принимают первоначальное положение, а устройство получает транспортное положение, после чего устройство поднимают на поверхность.

Предлагаемое устройство для обработки пластов в горизонтальной скважине позволяет исключить негерметичную посадку пакера устройства в горизонтальном стволе скважины или потерю герметичности пакера в процессе работы устройства, а также расширить функциональные возможности работы устройства и повысить надежность его работы.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для разобщения пластов в горизонтальной скважине при раздельной закачке в них различных реагентов. Технический результат заключается в исключении негерметичной посадки пакера устройства в горизонтальном стволе скважины или потери герметичности пакера в процессе работы устройства, а также в расширении функциональных возможностей работы устройства и повышении надежности его работы. Устройство для обработки пластов в горизонтальной скважине содержит пакер, включающий проходной в осевом направлении корпус с эластичной манжетой, сверху корпус пакера жестко соединен с разобщителем, включающим ствол с радиальными отверстиями с верхней и нижней резьбами, золотник, расположенный внутри ствола и соединенный с ним срезным элементом, и стержень, золотник снабжен посадочным седлом для бросового элемента, сбрасываемого вовнутрь устройства перед обработкой пласта, находящегося выше пакера, нижнее кольцо, выполненное в виде крышки, навернутой на нижнюю резьбу ствола разобщителя, причем снизу крышка снабжена наружной резьбой для соединения с корпусом проходного пакера. На проходном корпусе пакера выполнены зубчатые насечки, а ниже на проходном корпусе выполнены сквозные пазы, причем на наружной поверхности проходного корпуса установлен толкатель, оснащенный стопорным кольцом выше зубчатых насечек проходного корпуса, при этом толкатель посредством срезных винтов, установленных в сквозные пазы проходного корпуса, соединен с подвижным седлом, установленным внутри проходного корпуса, при этом подвижное седло оснащено обратным клапаном, пропускающим снизу вверх, причем толкатель имеет возможность осевого воздействия на эластичную манжету, выполненную сборной из чередующихся резиновых и металлических колец с осевым сжатием и радиальным расширением наружу резиновых колец эластичной манжеты пакера, при этом при осевом перемещении вниз толкателя совместно с подвижным седлом относительно проходного корпуса толкатель имеет возможность фиксации стопорным кольцом в зубчатых насечках проходного корпуса с разрушением срезных винтов подвижного седла, причем нижнее металлическое кольцо зафиксировано к проходному корпусу срезным элементом. Золотник снизу снабжен жестко закрепленным к нему стержнем, а также осевыми отверстиями по окружности, причем крышка снабжена осевым центральным отверстием, имеющим возможность герметичного взаимодействия со стержнем золотника, при этом бросовый элемент выполнен в виде продавочной пробки, причем ствол разобщителя оснащен двумя внутренними кольцевыми проточками, оснащенными разрезными пружинными стопорными кольцами, имеющими возможность фиксации продавочной пробки за ее верхний торец после осевого перемещения золотника относительно ствола разобщителя. 4 ил.

Устройство для обработки пластов в горизонтальной скважине, содержащее пакер, включающий проходной в осевом направлении корпус с эластичной манжетой, сверху корпус пакера жестко соединен с разобщителем, включающим ствол с радиальными отверстиями с верхней и нижней резьбами, золотник, расположенный внутри ствола и соединенный с ним срезным элементом, и стержень, золотник снабжен посадочным седлом для бросового элемента, сбрасываемого вовнутрь устройства перед обработкой пласта, находящегося выше пакера, нижнее кольцо, выполненное в виде крышки, навернутой на нижнюю резьбу ствола разобщителя, причем снизу крышка снабжена наружной резьбой для соединения с корпусом проходного пакера, отличающееся тем, что на проходном корпусе пакера выполнены зубчатые насечки, а ниже на проходном корпусе выполнены сквозные пазы, причем на наружной поверхности проходного корпуса установлен толкатель, оснащенный стопорным кольцом выше зубчатых насечек проходного корпуса, при этом толкатель посредством срезных винтов, установленных в сквозные пазы проходного корпуса, соединен с подвижным седлом, установленным внутри проходного корпуса, при этом подвижное седло оснащено обратным клапаном, пропускающим снизу вверх, причем толкатель имеет возможность осевого воздействия на эластичную манжету, выполненную сборной из чередующихся резиновых и металлических колец с осевым сжатием и радиальным расширением наружу резиновых колец эластичной манжеты пакера, при этом при осевом перемещении вниз толкателя совместно с подвижным седлом относительно проходного корпуса толкатель имеет возможность фиксации стопорным кольцом в зубчатых насечках проходного корпуса с разрушением срезных винтов подвижного седла, причем нижнее металлическое кольцо зафиксировано к проходному корпусу срезным элементом, при этом золотник снизу снабжен жестко закрепленным к нему стержнем, а также осевыми отверстиями по окружности, причем крышка снабжена осевым центральным отверстием, имеющим возможность герметичного взаимодействия со стержнем золотника, при этом бросовый элемент выполнен в виде продавочной пробки, причем ствол разобщителя оснащен двумя внутренними кольцевыми проточками, оснащенными разрезными пружинными стопорными кольцами, имеющими возможность фиксации продавочной пробки за ее верхний торец после осевого перемещения золотника относительно ствола разобщителя.