Способ селективной обработки продуктивного пласта, устройство для его осуществления и порт ГРП
METHOD OF SELECTIVE TREATMENT OF PRODUCTIVE FORMATION, DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION AND HYDRAULIC FRACTURING UNIT

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам и устройствам для селективной обработки скважин различной конструкции, а также в случае необходимости проведения повторной обработки скважин при применении селективной технологии обработки продуктивного пласта.
Известны устройство и способ для проведения многостадийного гидравлического разрыва пласта за одну спускоподъемную операцию, представленные в патенте на полезную модель №185859 (опубл. 20.12.2018 г., бюл. №35).
Устройство для проведения многостадийного гидравлического разрыва пласта содержит колонну насосно-компрессорных труб (далее НКТ), верхний и нижний селективные пакеры, фрак-порт с отверстием для закачивания жидкости гидравлического разрыва пласта (далее ГРП), перфорированный патрубок колонны НКТ, отсекающий клапан давления и прокалывающее устройство.
Устройство для проведения многостадийного ГРП спускают в скважину с несколькими продуктивными пластами, производят подгонку прокалывающего устройства к нижнему интервалу ГРП, производят закачивание по колонне НКТ жидкости, которая, поступая из фрак-порта через отверстие для закачивания пласта жидкости ГРП, активирует верхний и нижний селективные пакеры. При увеличении давления в колонне НКТ, происходит увеличение давления в межпакерном пространстве. Жидкость, проходя через отверстия перфорированного патрубка, поступает в проходное отверстие нижнего селективного пакера и по проходным каналам отсекающего клапана давления поступает в прокалывающее устройство.
Представленное в описании к патенту прокалывающее устройство содержит корпус, в который вставлен поршень с пробойником. Под действием давления жидкость приводит в действие поршень с пробойником, который перфорирует обсадную колонну. Далее, сбрасывают давление в колонне НКТ и приводят верхний и нижний селективные пакеры в транспортное положение. Далее, спускают компоновку таким образом, чтобы межпакерное пространство было расположено напротив перфорированного интервала ГРП. Постепенно увеличивая давление в колонне НКТ, активируют верхний и нижний селективные пакеры. В момент, когда давление в отсекающем клапане давления достигает значения Р1 (где Р1 - давление срабатывания отсекающего клапана давления), происходит перекрытие проходных каналов жидкости, для того чтобы давление превышающее значение Р1 не передавалось на прокалывающее устройство. После срабатывания отсекающего клапана давления производят плановые работы по ГРП (закачивание жидкости и пропанта) в данном интервале. После окончания данной стадии ГРП давление в колонне НКТ сбрасывают, пакеры переводят в транспортное положение, и производят переподгонку компоновки на следующий вышестоящий интервал ГРП.
При описании примера использования устройства указано, что при перфорации срабатывание перфорирующего устройства происходит при давлении 200 атм. Последующее повышение давления для активации отсекающего клапана происходит до достижения 220 атм.
При этом прокалывающее устройство находится вне интервала обработки продуктивного пласта и, активируясь при давлении большем, чем давление перфорации, может проколоть колонну за пределами обрабатываемых интервалов, что приводит к повреждению обсадной колонны и нарушению ее герметичности.
Кроме того, следствием низкой технологичности и надежности устройства является отсутствие его надежной фиксации при активированных селективных пакерах, особенно при проведении ГРП. Подача высокого давления может привести к линейному удлинению НКТ, вибрации и к преждевременному повреждению манжет чашечных пакеров, прижатых с усилием к стенкам эксплуатационной колоны.
Недостатком способа проведения ГРП является низкая технологичность, невозможность намыва каверн особенно в скважинах, конструкция которых предполагает цементирование обсадных колон, в которых проведение перфорации прокалывающим устройством может быть недостаточно для обеспечения гидравлического сообщения скважины с продуктивным пластом.
Кроме того, перфорация осуществляется при активированных пакерах, что препятствует циркуляции жидкости по затрубному пространству, поэтому намыв каверн невозможен.
Наиболее близкими аналогами к заявляемым техническим решениям являются способ и варианты устройства, представленные в патенте на изобретение US 9284823 (публ. 15.03.2016 г.) «Комбинированный перфорирующий инструмент». Известный комбинированный инструмент предназначен для проведения перфорации обводненных скважин и проведения ГРП за одну спуско-подъемную операцию для освоения нескольких продуктивных пластов. Известное устройство содержит порт ГРП, приводной механизм перфоратора с усиливающим узлом, перфоратор и чашечные пакеры. В нижнем конце гибкой НКТ установлен нижний чашечный пакер, при этом его расширяющийся конец направлен в скважину и препятствует протеканию жидкости обводненной скважины вверх между обсадной колонной и устройством. Выше установлен перепускной механизм для обвода скважинной жидкости вокруг устройства, состоящий из скользящего корпуса с пружинными элементами, которые зацепляются с внутренней частью ствола скважины. При активированном нижнем пакере и зафиксированном пружинными элементами корпусе перепускного механизма, препятствующем перемещению забойной жидкости по затрубному пространству во время движения инструмента вверх, удерживаемый скользящий корпус открывает отверстие, через которое жидкость обводненной скважины проникает в затрубное пространство и перемещается вверх в обход активированного пакера. Далее, вверх по ГНКТ установлен прокалывающий перфоратор, его приводной механизм с усиливающим узлом, верхние чашечные пакеры расширяющиеся концы, которых направлены к установленному сверху порту ГРП. Между верхним чашечным пакером и портом ГРП установлен клапанный узел, отсекающий подачу жидкости в перфоратор при проведении ГРП.
Известный способ перфорации обсадной колонны скважины и последующего ГРП, заключается в спуске инструмента в скважину, подаче рабочей жидкости для приведения в действие приводного механизма перфоратора, перфорации обсадной колонны, перемещении устройства вниз по скважине для совмещения порта ГРП с перфорированным участком обсадной колонны, активировании верхнего чашечного пакера для изоляции снизу порта ГРП, а также для активирования клапанного узла с целью отключения приводного механизма перфоратора, подачи жидкости в порт ГРП и проведения ГРП.
Недостатком способа проведения ГРП является низкая технологичность из-за невозможности намыва каверн особенно в скважинах, конструкция которых предполагает цементирование обсадных колон, в которых проведение перфорации прокалывающим устройством может быть недостаточно для обеспечения гидравлического сообщения скважины с продуктивным пластом.
Известное устройство снабжено только одним пакером, чашечные элементы которого направлены от порта ГРП и установленным ниже порта ГРП и ниже интервала продуктивного пласта изоляции. Это является его недостатком, так как жидкость ГРП, находящаяся под давлением, может проникать не только в продуктивный пласт, но и распространиться по затрубному пространству вверх, что может повредить эксплуатационную колонну и привести к прихвату устройства.
Задачей заявляемых технических решений является создание эффективного способа безопасной селективной обработки продуктивного пласта с возможностью обработки множества интервалов продуктивного пласта за одну спуско-подъемную операцию с использованием простого и надежного устройства.
Техническим результатом является то, что технология обработки продуктивного пласта включает осуществление перфорации с возможностью намыва каверн и проведение ГРП при полной изоляции каждого интервала пласта.
Техническим результатом также является то, что отделение интервала ГРП обеспечивается с двух сторон при надежной фиксации устройства в скважине и то, что управление всеми технологическими операциями обеспечивается простым в конструктивном исполнении устройством.
Технический результат достигается тем, что способ селективной обработки продуктивного пласта, включающий спуск в скважину устройства, снабженного механическим якорем, портом ГРП, пакерами, перфоратором, установленным в нижней части устройства, на глубину соответствующую продуктивному пласту и привязку устройства к заданному интервалу продуктивного пласта. Далее, осуществляют подачу под давлением рабочей жидкости через НКТ в перфоратор, проводят перфорацию скважины и последующий намыв каверн. После чего приводят перфоратор в транспортное положение. Затем, устанавливают устройство так, чтобы интервал перфорации находился между пакерами, фиксируют его в скважине и перекрывают доступ рабочей жидкости к перфоратору. Далее, производят под давлением подачу жидкости ГРП, активацией пакеров осуществляют отделение интервала продуктивного пласта от затрубного пространства и проводят ГРП. После чего, снижая давление в межпакерном пространстве, переводят устройство в транспортное положение и извлекают его из скважины.
Спуск в скважину устройства, снабженного механическим якорем, портом ГРП, пакерами и перфоратором, осуществляется на глубину, соответствующую самому нижнему интервалу продуктивного пласта.
При осуществлении обработки нескольких интервалов, их обработка осуществляется за одну спуско-подъемную операцию.
Привязку устройства к заданному интервалу продуктивного пласта могут осуществлять механическим локатором муфт.
При необходимости после проведения ГРП производится промывка межпакерного пространства.
Технический результат достигается также тем, что устройство для осуществления способа селективной обработки продуктивного пласта содержит установленные на НКТ перфоратор, механический якорь, верхний и нижний проходные пакеры и порт ГРП. Новым является то, что порт ГРП соединен с нижним проходным пакером и связан с полым штоком. Полый шток жестко связан с якорем, соединенным с перфоратором и обеспечивает гидравлическую связь НКТ с перфоратором.
Перфоратор снабжен прокалывающими элементами с гидромониторными отверстиями.
Верхний и нижний пакеры являются проходными. Эластичные элементы пакеров могут быть чашечными, раскрывающимися по направлению к порту ГРП, при этом верхний пакер установлен над портом ГРП.
Полый шток выполнен с основанием, перекрывающим сверху его полость, и снабжен выступами для зацепления с портом ГРП. Кроме того, полый шток снабжен радиальными отверстиями, расположенными под его основанием, через которые осуществляется гидравлическая связь с внутренней полостью НКТ.
Порт ГРП, снабжен полым корпусом с отверстиями для ГРП и втулкой, соединенной с полым корпусом с возможностью осевого перемещения. Внутренняя поверхность корпуса снабжена проточкой для обеспечения гидравлической связи с отверстиями полого штока. Втулка снабжена окнами для ГРП, при этом во втулке выполнены отверстия для зацепления с полым штоком устройства. В корпусе порта ГРП выполнены продольные радиальные отверстия, предназначенные для осевого перемещения выступов штока и для предотвращения поворота штока.
Использование в устройстве перфоратора с гидромониторными отверстиями позволяет осуществить перфорацию обсадной трубы с одновременным намывом каверн, обеспечивая надежную гидравлическую связь с продуктивным пластом, что создает условия для качественного ГРП.
Наличие в устройстве механического якоря, жестко соединенного с перфоратором и полым штоком, обеспечивают устойчивость от вибрационного воздействия при проведении ГРП.
Конструкция порта ГРП, взаимосвязь якоря и перфоратора, позволили применить проходные пакеры с эластичными элементами, обеспечивающими надежную изоляцию затрубного пространства и эффективное проведение ГРП.
Простая и надежная конструкция устройства обеспечивает возможность безаварийной обработки одного и более интервалов продуктивного пласта за одну спуско-подъемную операцию.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства для селективной обработки продуктивного пласта, при осуществлении перфорации и намыва каверн; на фиг.2 - увеличенный вид разрушающих элементов и гидромониторных отверстий перфоратора; на фиг. 3 - осевой разрез основных узлов устройства в составе порта ГРП, нижнего пакера и якоря в положении перфорации; на фиг. 4 - разрез по Б-Б устройства, представленного на фиг. 3; на фиг. 5 - общий вид устройства при проведении ГРП; на фиг. 6 - осевой разрез основных узлов устройства в составе порта ГРП, нижнего пакера и якоря в положении проведения ГРП.
Устройство содержит смонтированные (сверху вниз) на колонне НКТ 1 (Фиг. 1, Фиг. 2) механический локатор муфт 2, верхний проходной пакер 3 с двумя чашечными уплотнительными элементами 4, порт ГРП 5, нижний проходной пакер 6, проходной механический якорь 7 и перфоратор 8.
В устройстве может быть применен механический локатор муфт А 1025-2, представленный в каталоге «Инструмент для текущего и капитального ремонта скважин», стр. 31 https://www.slb.ru/upload/iblock/d8e/katalog-instrumentov-dla-tekushego-i-kapitalnogo-remonta-skvajin.pdf).
Порт ГРП 5 состоит из полого цилиндрического корпуса 9, жестко соединенного с нижним проходным пакером 6, и втулки 10, установленной с возможностью осевого перемещения. Корпус 9 содержит отверстия ГРП 11, перекрытые в транспортном положении втулкой 10, в которой выполнены окна ГРП 12. Кроме того, корпус 9 содержит продольные радиальные отверстия 13, предназначенные для осевого перемещения выступов 15 полого штока 14 и для предотвращения поворота полого штока 14.
Внутри порта ГРП 5 с возможностью осевого и синхронного с втулкой 10 перемещения установлен полый шток 14, на боковой поверхности которого выполнены радиальные выступы 15. Втулка 10 выполнена с окнами ГРП 12 и с отверстиями 16, с которыми входят в зацепление выступы 15 полого шока 14. Внутренняя поверхность корпуса 9 снабжена проточкой 17.
Полый шток 14 выполнен с основанием 18, перекрывающим его сверху, и с радиальными отверстиями 19, расположенными под основанием 18. Гидравлическое сообщение полости НКТ 1 с перфоратором 8 осуществляется через проточку 17 и открытые отверстия 19 полого штока 14, жестко связанного с проходным механическим якорем 7. Порт ГРП 5 соединен с нижним проходным пакером 6.
Перфоратор 8 снабжен разрушающими элементами 20 с гидромониторными отверстиями 21 и соединен с проходным механическим якорем 7.
В транспортном положении во время спуска устройства в скважину полый шток 14 зафиксирован от осевого возвратно-поступательного движения разрушаемым элементом 22.
Устройство работает следующим образом:
Перед спуском в скважину устройство собирают на устье скважины, устанавливая его на НКТ 1 снизу вверх в составе прокалывающего перфоратора 8, проходного механического якоря 7, нижнего проходного пакера 6, порта ГРП 5, верхнего проходного пакера 3, механического локатора муфт 2.
При спуске в скважину перфоратор 8, верхний 5 и нижний 6 проходные пакеры находятся в транспортном положении, полый шток 14 находится в нижнем положении и зафиксирован от осевого перемещения разрушаемым элементом 22. Втулка 10 находится в нижнем положении и перекрывает отверстия ГРП 11 корпуса 9. Кроме того, выступы 15 полого штока 14 находятся в зацеплении с отверстиями 16 втулки 10. Радиальные отверстия 19 полого штока 14, через которые обеспечивается гидравлическое сообщение полости труб НКТ 1 с полостью, образованной проточкой 17 и основанием 18 полого штока 14, и через проходной механический якорь 7 с перфоратором 8, открыты (Фиг. 1).
При необходимости обработки нескольких интервалов, устройство спускают таким образом, чтобы перфоратор находился на уровне самого нижнего интервала продуктивного пласта подлежащего обработке. Далее, насосным агрегатом, находящимся на поверхности, подают рабочую жидкость под давлением в НКТ 1. Рабочая жидкость, проходя через внутреннюю полость НКТ 1 и проходные узлы устройства, попадает в перфоратор 8 и воздействует на разрушающие элементы 20, которые перфорируют обсадную трубу скважины, одновременно осуществляя намыв каверн через гидромониторные отверстия 21.
При этом рабочая жидкость, выходя из гидромониторных отверстий, отражается от стенок каверны и выходит в затрубное пространство, поднимается на поверхность, осуществляя свободную циркуляцию по замкнутому контуру.
После проведения перфорации, подача рабочей жидкости под давлением прекращается и устройство перемещают в скважине так, чтобы перфорированный интервал оказался между верхним 3 и нижним 6 проходными пакерами, и фиксируют устройство в скважине механическим якорем 7. Таким образом, полый шток 14, который жестко соединен с механическим якорем 7, оказывается неподвижен. Кроме того, остается неподвижной втулка 10, отверстия 16 которой находятся в зацеплении с выступами 15 полого штока 14.
При разгрузке на механический якорь 7 под действием веса труб НКТ 1 разрушаемый элемент 22 срезается и корпус 9 порта ГРП 5 вместе с проходными пакерами 3 и 6 перемещаются вниз на величину рабочего хода Н (Фиг. 3). Радиальные отверстия 19 перекрываются корпусом 5, перекрывая гидравлическую связь внутренней полости НКТ 1, с проходным якорем 7 и перфоратором 8, предохраняя их от воздействия давления рабочей жидкости и жидкости ГРП. Кроме того, при движении корпуса 9 порта ГРП 5 вниз на величину рабочего хода совмещаются между собой отверстия ГРП корпуса 9 и окна ГРП 12 втулки 10, обеспечивая тем самым гидравлическую связь внутренней полости НКТ 1 с межпакерным пространством и продуктивным пластом.
Далее, в трубы НКТ 1 подают под давлением жидкость ГРП и, благодаря встречному потоку из порта ГРП 5, чашечные уплотнительные элементы 4 проходных пакеров 3 и 6 раскрываются и герметично прилегают к внутренней стенке обсадной трубы, изолируя межпакерное пространство. Далее производят ГРП и стравливают давление в скважине.
В случае необходимости обработки нескольких интервалов продуктивного пласта устройство перемещают по направлению к устью скважины к следующему интервалу и повторяют способ селективной обработки в представленной выше последовательности действий.
Способ селективной обработки продуктивного пласта осуществляется следующим образом.
Устройство спускают в скважину протяженностью 3550 м с эксплуатационной колонной диаметром 102 мм толщиной 6,5 мм (группа прочности «Д» по ГОСТ 632) и осуществляют его привязку к заданному интервалу продуктивного пласта с помощью механического локатора муфт, например, А 1025-2 (каталог «Schlumberger» стр. 31).
В результате исследований продуктивного пласта определены три интервала, которые необходимо обработать: самый нижний интервал, расположенный между отметок 3520-3510 м, следующий, расположенный между отметок 3455-3440 м и самый верхний интервал, расположенный между отметок 3393-3383 м.
В связи с тем, что первоначально обрабатывают самый нижний интервал продуктивного пласта, спуск устройства производят до тех пор, пока перфоратор 8 не окажется на уровне интервала, расположенного между отметок 3520-3510 м.
После подгонки перфоратора к нижней границе первого обрабатываемого интервала осуществляют подачу рабочей жидкости под давлением 200 атм во внутреннюю полость НКТ 1. Рабочая жидкость через порт ГРП 5 и механический якорь 7 поступает в перфоратор 8, при этом втулка 10 перекрывает отверстия ГРП 11 корпуса 9 порта ГРП 5, герметично отделяя затрубное пространство от внутренних полостей устройства.
Под действием рабочей жидкости разрушающие элементы 20 перфоратора 8 формируют отверстия в эксплуатационной колонне, через которые в течение технологического времени (до 15 мин.) производится намыв каверн через гидромониторные отверстия 21.
При намыве каверн рабочая жидкость подается с поверхности через внутреннюю полость НКТ 1 в порт ГРП, механический якорь, перфоратор и выходит из гидромониторных отверстий, намывая каверны. Из обрабатываемого продуктивного пласта, рабочая жидкость, проникая в свободное затрубное пространство, поднимается из скважины на поверхность, осуществляя циркуляцию по замкнутому контуру (Фиг. 1). Перфорацию эксплуатационной колонны и намыв каверн производят исходя из плотности 10 отверстий на 1 метр длины эксплуатационной колонны. Формирование отверстий в обрабатываемом интервале осуществляют последовательно по направлению к устью скважины.
По завершении перфорации и намыва каверн производят спуск устройства до тех пор, пока интервал перфорации не окажется между верхним 3 и нижним 6 проходными пакерами, и фиксируют устройство в скважине, активируя механический якорь 7.
При активации якоря 7 под действием веса НКТ 1 (до 4 тонн) происходит разрушение элемента 22, при этом порт ГРП 5 и нижний проходной пакер 6 перемещаются до посадки на механический якорь 7. Корпус 9 порта ГРП 5 смещается относительно полого штока 14, его отверстия ГРП 11 и окна ГРП 12 втулки 10 совмещаются, соединяя внутреннюю полость НКТ 1 с межпакерным затрубным пространством.
Далее, с постепенным увеличением давления осуществляют подачу жидкости ГРП во внутреннюю полость НКТ и активируют верхний 3 и нижний 6 проходные пакеры. При достижении технологического давления, зависящего от характеристик горной породы (до 1000 атм при плотной породе глубокого залегания), через совмещенные отверстия ГРП корпуса 9 порта ГРП 5 и окон ГРП втулки 10 производят закачку жидкости ГРП в перфорированный интервал продуктивного пласта (Фиг. 6).
Если после произведенного в соответствии с технологическим планом ГРП в межпакерном пространстве и полостях устройства находятся остатки жидкости ГРП, производят стравливание давления из межпакерного пространства до приведения пакеров в транспортное положение и осуществляют промывку скважины через отверстия ГРП 11 подачей рабочей жидкости в затрубное пространство.
Для того чтобы обработать следующий интервал 3455-3440 м продуктивного пласта, устройство переводят в транспортное положение. Для этого деактивируют якорь 8. Далее, устройство перемещают вверх до перекрытия отверстий ГРП корпуса 9 порта ГРП 5. При этом внутренняя полость НКТ 1 совмещается через отверстия 21 с полостью штока 14, обеспечивая гидравлическую связь с перфоратором 8.
Устройство в транспортном положении перемещают вверх до следующего интервала продуктивного пласта, подлежащего обработке.