УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТОВ
DEVICE FOR HYDRAULIC RUPTURE OF BEDS

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к нефтегазодобывающей отрасти.
Известно устройство для доставки геофизических приборов в скважину по патенту РФ на изобретение №2054539, содержащее каротажный кабель и средство доставки в виде дополнительных грузов, выполненных с возможностью нанизывания на каротажный кабель. На концах секций и зажимов выполнены замковые элементы.
Недостаток заключается в том, что общая длина всех секций дополнительных грузов должна быть больше, чем длина горизонтального участка скважины. Для скважин, имеющих горизонтальный участок большой протяженности это устройство не применимо из-за большой трудоемкости ручных работ, большого веса грузов и возможности обрыва геофизического кабеля.
Известно устройство для доставки геофизических приборов в горизонтальную скважину по патенту РФ на изобретение №2138613, которое содержит геофизический кабель и средство доставки в виде отрезка кабеля с повышенной жесткостью и увеличенным диаметром, установленным между геофизическим кабелем и геофизическим прибором. Этот отрезок кабеля выполняет одновременно роль груза и средства доставки за счет большого диаметра и большой жесткости. Кроме того, рекомендуется создать на устье повышенное давление 6…7 МПа.
Известно устройство для гидроразрыва пластов по патенту РФ №2260115, содержащее секционные пирозаряды, электронный блок питания и составную штангу. Это обеспечивает снижение аварийности, уменьшение ударного термовоздействия на каротажный кабель, обеспечение вывода скважины на нормальный режим работы после обработки за счет предотвращения забивания насоса механическими примесями, асфальтенами при пуске скважины и повышение совершенства вскрытия пласта. Сущность изобретения способ включает проведение глубокопроникающей перфорации по всем интервалам обрабатываемого пласта, сборку секционного заряда с центральным каналом, через который пропускают детали оснастки. Спускают заряд в скважину и сжигают его секции, изготовленные из составов, обеспечивающих горение в водной, водонефтяной и кислотной среде с образованием продуктов горения. Повышают давление и температуру в скважине. Осуществляют контроль горения секций заряда в режиме реального времени при быстропротекающих процессах горения. Регистрируют характеристики режима работы заряда. По характеру изменения этих характеристик судят о характере воздействия на пласт и реакции призабойной зоны на воздействие. При этом для сборки заряда используют составную штангу, изготовленную из материала, позволяющего сохранять целостность при воздействии механических и тепловых нагрузок во время спуска-подъема заряда и его горении. Составная штанга - с полым каналом, проходящим внутри штанги вдоль ее центральной оси для пропуска провода питания узла воспламенения и провода с термостойкой изоляцией, соединяющего каротажный кабель с электронным блоком контроля и регистрации характеристик режима работы заряда. Этот блок присоединяют к нижней части нижней штанги и располагают от секции заряда на таком расстоянии, чтобы горячие продукты горения заряда не оказывали на него прямого воздействия. Кроме того, для снижения нагрузки на штангу и обеспечения максимального направленного воздействия на обрабатываемый пласт между нижней секцией заряда и электронным блоком располагают рассеиватель газового потока. Внутреннюю полость заряда на всю высоту конструкции заполняют поверхностно-активным веществом для обеспечения дополнительной депрессии на пласт и выноса механических примесей в результате вспенивания поверхностно-активного вещества при горении заряда. Перфорацию по всем интервалам обрабатываемого пласта проводят перфоратором с фазировкой 30-45° с образованием после сжигания заряда вертикально-наклонных спиральных трещин вокруг ствола скважины в призабойной зоне, которые не смыкаются при последующем гидроразрыве и обеспечивают гидродинамическую связь скважины с пластом. При сборке заряда для сохранения целостности конструкции и уменьшения ударного термовоздействия на каротажный кабель при горении заряда используют удлиненную до 2,0-2,5 м верхнюю и удлиненную до 1,0-1,5 м нижнюю штанги, присоединенные к обоим концам несущей части штанги.
Недостатком устройства является то, что спуск средств перфорации в горизонтальную скважину или в скважину с наклоном в 5...7 град. очень затруднителен, кроме того, близко.
Задачей создания изобретения является обеспечение доставки средства перфорации, предназначенного для гидроразрыва пластов, в горизонтальную или наклонную скважину и повышение эффективности гидроразрыва.
Решение указанной задачи достигнуто в устройстве для гидроразрыва пластов, содержащем геофизический кабель, средство транспортировки, соединенное со средством гидроразрыва, тем, что средство транспортировки выполнено в виде гидравлического движителя, соединенного общим валом с приводом и высоковольтным генератором, размещенными внутри закрытого герметичного корпуса, установленного, в свою очередь, внутри кожуха, с образованием кольцевого зазора, при этом высоковольтный генератор выполнен с пьезоэлектрическими пластинами, а общий вал имеет диски с роликами, последние из которых имеют возможность оказывать давление на пьезоэлектрические пластины при вращении общего вала от привода.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…13, где:
на фиг.1 приведена схема доставки средства гидроразрыва и генератора высокого напряжения в скважину,
на фиг.2 приведено средство гидроразрыва со средством доставки, первый вариант,
на фиг.3 приведен второй вариант устройства,
на фиг.4 приведен третий вариант устройства,
на фиг.5 приведен четвертый вариант устройства,
на фиг.6 и 7 приведен первый вариант соединения средства доставки и средства гидроразрыва,
на фиг.8 и 9 приведен второй вариант соединения средства доставки и средства гидроразрыва,
на фиг.10 приведена конструкция генератора высокого напряжения,
на фиг.11 приведен фрагмент средства гидроразрыва,
на фиг.12 приведена конструкция ролика,
на фиг.13 приведена конструкция компенсатора давления и температурного расширения.
Устройство (фиг.1…13) предназначено для спуска в скважину 1 средства гидроразрыва 2 и осуществления гидроразрыва пластов для интенсификации добычи нефти. Устройство (фиг.1) содержит наземную и скважинную аппаратуру. Наземная аппаратура включает пульт управления 3, компьютер 4 с монитором 5, к которым подключен источник питания 6. С пультом управления 3 соединен геофизический кабель 7, намотанный на катушку 8. С геофизическим кабелем 7 или катушкой 8 контактирует ролик 9 устройства для измерения длины кабеля 10.
Скважинная аппаратура содержит средство гидроразрыва 2 и средство доставки 11, установленное в закрытом герметичном корпусе 12. Устройство имеет на одном из торцов кабельный наконечник 13, к которому подключен геофизический кабель 7. Между пиротехническим средством 2 и средством доставки 11 выполнен стыковочный узел 14 для герметичного механического и электрического соединения средства гидроразрыва 2 со средством доставки 11.
Средство доставки 11 содержит привод 15 (преимущественно это может быть электрический двигатель) и гидравлический движитель 16 в виде одного или двух гребных винтов 17 и 18. Схема с двумя гребными винтами 17 и 18 имеет преимущество по сравнению со схемой, имеющей один гребной винт, т.к. отсутствует реактивный момент, приводящий к вращению средства доставки 11 и к скручиванию геофизического кабеля 7. Винты 17 и 18 могут быть установлены или в одной плоскости, или соосно.
Герметичный закрытый корпус 12 установлен на ребрах 19 внутри кожуха 20 с образованием кольцевого зазора «В». Кожух 20 выполнен открытым с обоих торцов и содержит перед гребными винтами 17 и 18 коническую входную часть 21 с отверстиями «Г». Входной торец конической части 21 и отверстия «Г» закрыты фильтрами 22 для предотвращения попадания на гребные винты 17 и 18 посторонних частиц крупных размеров, что может привести к заклиниванию. Между гребными винтами 17 и 18 и приводом 15 установлен механизм преобразования 23 для преобразования вращения одного вала привода 15 во вращение двух валов 24 и 25. Внутри герметичного закрытого корпуса 12 установлен высоковольтный генератор 26.
Средство гидроразрыва 2 (фиг.2 и 11) содержит герметичный цилиндрический корпус 27, в котором радиально установлены в изоляторах 28 электроды 29, к которым подведены провода 30 от стыковочного узла 14, к которому, в свою очередь, подведены высоковольтные провода 31 от генератора высокого напряжения 26, соединенного с приводом 15.
Стыковочный узел 14 размещен между средством доставки 11 и средством гидроразрыва 2 (фиг.3 и 4). Стыковочный узел 14 может содержать две стыкуемые части 32 и 33 и обеспечивает передачу электроэнергии и поворот на 5…10 градусов для прохождения участка скважины с радиусной кривизной. Первая стыкуемая часть 32 закреплена на торце конического участка 21, вторая стыкуемая часть 33 закреплена на торце герметичного цилиндрического корпуса 27 средства гидроразрыва 2 в случае, если средство гидроразрыва расположено перед средством доставки 11 (фиг.2, 4).
Возможны несколько вариантов исполнения средства доставки 11.
На фиг.2 и 4 приведен вариант установки средства доставки 11 после средства 2 гидроразрыва 2 (по направлению движения в скважину), т.е. средство доставки 11 выполнено с толкающими гребными винтами 17 и 18. Два гребных винта 17 и 18 установлены в кожухе 20 и имеют возможность вращения в противоположные стороны за счет применения механизма преобразования 23. В качестве механизма преобразования 23 можно использовать редуктор или мультипликатор.
Средство гидроразрыва 2 (фиг.3-5 и 11) может быть установлено после средства доставки 11 (по направлению движения к забою). В этом случае кабельный наконечник 13 выполнен на торце цилиндрического корпуса 27 средства гидроразрыва 2. Средство гидроразрыва 2 имеет цилиндрический корпус 27, в котором на изоляторах 28 установлены электроды 29 и 30, к которым подведены высоковольтные провода 31 (фиг.11). Стыковка осуществляется стыковочными частями 32 и 33.
Механизм преобразования 23 (фиг.6-7) содержит установленную на ведущем валу 34 ведущую шестерню 35. В зацеплении с ведущей шестерней 35 находится первая промежуточная шестерня 36, установленная на первом ведомом валу 24. Вторая промежуточная шестерня 37 установлена на этом же валу и находится в зацеплении с ведомой шестерней 38, установленной на валу 25. Это обеспечивает противоположное вращение гребных винтов 17 и 18 и предотвращает вращение кожуха 21 и закручивание геофизического кабеля 7.
Второй вариант механизма преобразования и гидравлического движителя приведен на фиг.8 и 9. Гребные винты 17 и 18 установлены соосно на ведомых валах 24 и 25, выполненных концентрично, при этом ведомый вал 24 проходит внутри ведомого вала 25. Наиболее предпочтительное исполнение механизма передачи - это применение редуктора или мультипликатора в виде эпициклического зубчатого механизма, например, дифференциального планетарного редуктора. В этом варианте механизм преобразования 23 содержит (фиг.8) установленное на ведущем валу 34 центральное колесо 39, солнечное колесо 40 и сателлиты 41, установленные на водиле 42.
Высоковольтный генератор 26 (фиг.10) установлен в общем корпусе и содержит защитный корпус 43, ротор 44. Защитный корпус 43 имеет в задней (нижней) части электрический разъем 45, к которому подсоединены внутренние провода 46 от устройства преобразования механической энергии в электрическую 47. Устройство преобразования механической энергии в электрическую 8 содержит пьезоэлектрические пластины 48 и, по меньшей мере, один механизм деформации 49, количество которых соответствует количеству пьезоэлектрических пластин 48, соединенный через общий вал 50 приводом 15.
Каждый механизм деформации 49 выполнен в виде диска 51, установленного на общем валу 50 и имеющего с обеих сторон установленные на оси (осях) 52 ролики 53. Ролики 53 установлены на оси 52 с радиальным зазором δ (фиг.12) и перемещаются в пределах этого зазора под действием цетробежных сил Rцб. Между роликами 53 и пьезоэлектрическими пластинами 48 установлена гибкая электроизоляционная прокладка 54 (фиг.10). Общий вал 50 установлен на подшипниках 55 и 56. Подшипники 55 и 56 уплотнены уплотнениями 57 и 58 или выполнены закрытыми. Все детали высоковольтного генератора 26 установлены в полости 59, которая выполнена герметичной и заполнена инертным газом. Привод 15, высоковольтный генератор 26 и механизм преобразования 23 могут быть оборудованы общим устройством компенсации давления и температурного расширения 60 (фиг.13)т или каждый своим. В защитном корпусе 1 выполнены отверстия 61 для высоковольтных проводов 46. Конструкция компенсатора давления и температурного расширения 60 приведена на фиг.13, он содержит поршень 62, полость 63 под поршнем 62 отверстием 64 соединена с полостью 63, а полость 65 над поршнем 62 соединена отверстием 66 с окружающей средой. Поршень 62 подпружинен пружиной 67.
Работа устройства (фиг.1…13).
В скважину 1 сбрасывают на геофизическом кабеле 7 пиротехническое устройство 2 и устройство доставки 11, соединенные стыковочным узлом 14. Вертикальный участок скважины 1 устройство проходит под действием силы тяжести, при этом геофизический кабель 7 разматывается с катушки 8 и датчик длины кабеля 10 определяет глубину, на которую спущено устройство, и передает эту информацию на компьютер 4. По горизонтальному участку скважины или по участку, имеющему уклон меньше чем 5…7 градусов, перемещение устройства без посторонних сил невозможно. Поэтому с пульта управления 3 включают подачу электроэнергии по геофизическому кабелю 7 на привод 15, который раскручивает гребные винты 17 и 18 гидравлического движителя 16. Гребные винты 17 и 18 вращаются в противоположные стороны за счет применения механизма преобразования 23. За счет противоположного вращения гребных винтов 17 и 18 на кожух 20 не действует вращающий момент, и он не вращается, а геофизический кабель 7 не закручивается.
Промывочная жидкость гребными винтами 17 и 18 отбрасывается через кольцевой зазор «В» в сторону, противоположную забою. При этом создается реактивная сила, перемещающая средство доставки 11 вперед, оно, в свою очередь, перемещает пиротехническое средство 2. Информация о местонахождении устройства в скважине определяется устройством для измерения длины кабеля 10 и передается по геофизическому кабелю 7 на компьютер 4 и монитор 5. При достижении заданной глубины скважины сигнал передается с пульта управления 3 по геофизическому кабелю 7 далее через кабельный наконечник 13 по высоковольтным проводам 31 на электроды 29 и 30, между которыми проскакивает искра.
Питание высоким напряжением электродов 29 обеспечивается высоковольтным генератором 26. Высоковольтный генератор 26 приводится во вращение приводом 15 через общий вал 50, который начинает вращаться с ротором 44. При вращении общий вал 50 приводит во вращение диски 51 с осями 52 и роликами 53. Ролики 53 оказывают давление на пьезоэлектрические пластины 48 (фиг.12) за счет центробежной силы Rцб, и на них возникает высокое электрическое напряжение, которое по внутренним проводам 46 передается на электрический разъем 45 и далее на высоковольтные провода 30 и 31 к электродам 29, между которыми происходит разряд, вызывающий гидроудар в скважине 1 и гидроразрыв пластов.
Компенсатор давления и температурного расширения 60 (фиг.10 и 13) компенсирует изменение расхода смазывающей жидкости в полости 59 по любым причинам: утечке, изменения давления или температуры.
Управление всеми процессами осуществляется компьютером 4.
Применение предложенного технического решения позволило:
1. обеспечить доставку средства перфорации пластов в горизонтальный участок скважины на определенную глубину и высокое напряжение для электрических разрядов;
2. обеспечить безопасность обслуживающего персонала за счет применения источника высокого напряжения на значительной глубине в забое и управления им с применением компьютера, имеющего небольшое напряжение на портах;
3. предотвратить скручивание геофизического кабеля и вращение пиротехнического устройства за счет применения двух гребных винтов, вращающихся в противоположном направлении.