МНОГОКРАТНО ЗАКРЫВАЕМЫЙ ГИДРОПЕСКОСТРУЙНЫЙ ПЕРФОРАТОР
MULTIPLE CLOSED ABRASIVE PERFORATOR

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, и может быть использовано для перфорации скважин в колтюбинговых технологиях.
Выполнение многозонального гидравлического разрыва пласта (МГРП) по технологии Plug and Perf (PnP) использует колтюбинговое бурение. Данная технология хорошо себя зарекомендовала при разработке низкопроницаемых пород в США (формация Баккен и др.) (см., например, ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ PLUG&PERF В ЗАПАДНОЙ СИБИРИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ НИЗКОПРОНИЦАЕМЫХ КОЛЛЕКТОРОВ. Гладков Е.А. и др., Нефтепромысловое дело. 2015. №5. С. 30-33). Технология предполагает спуск в скважину на гибких насосно-компрессорных трубах (ГНКТ) компоновки, содержащей перфоратор, установочный инструмент и пакер-пробку. Пакер-пробка обеспечивает уплотнение нижней части скважины, а в зоне над пакер-пробкой проводятся работы по перфорации стенок скважины (см, например, http://packer-service.ru/files/report_2016-06_plug-and-perf_in_small-production-strings.pdf). Для этой цели могут использоваться гидропескоструйные перфораторы (ГПП). Управление установочным инструментом осуществляется посредством установочного шара, запускаемого в ГНКТ.
Настоящее изобретение касается конструкции перфоратора. Технические решения и конкретное выполнение установочных инструментов и пакер-пробок известны специалистам из уровня техники (см., например, US 7000705 (В2) - Hydraulic setting tool with pressure multiplier, OMEGA, COMPLETION TECHNOLOGY, 21.02.2006; RU 2629511 C1, Устройство для разъединения и зацепления колонны насосно-компрессорных труб, ООО НПФ "Пакер", 29.08.2017 и др.) и применены, в настоящем изобретении по известному назначению.
В изобретении RU 2539469 С1, ТатНИПИнефть, 20.01.2015 описан способ МГРП в горизонтальном стволе скважины на колонне ГНКТ, оснащенной снизу ГПП и пакером, использующем обратную промывку песка без подъема инструмента.
Известен способ МГРП с использованием ГПП и колтюбинговой технологии (US 8104539 (В2), HALLIBURTON ENERGY SERV INC, 31. 01.2012), который использует реверсивный режим подачи рабочих жидкостей по скважине для промывки продуктов, образовавшихся в зоне перфорации. Коммутация осуществляется клапанными шарами. За счет возвратной пружины и перекрытия сопел ГПП предусматривается удаление песка и других отходов по завершении гидропескоструйной перфорации, для этого промывочная жидкость подается по скважине, а отходы отводятся через центральный канал в самом инструменте. То есть этот инструмент позволяет осуществить и перфорацию и очистку за один цикл. Однако в этом патенте рассматриваются лишь принципы построения ГПП.
Известна другая конструкция перфоратора (US 8985209 (В2) High Pressure Jet Perforation System, GONZALEZ MARTINEZ CAROLINA, SCHLUMBERGER TECHNOLOGY CORP., 24.03.2015), где облегчается удаление избыточного песка во время операции перфорации струи без необходимости выталкивания перфорирующей колонны из отверстия. Инструмент перфорирования струи снабжен по меньшей мере одним перфорирующим соплом для создания перфораций в скважине жидкостью под высоким давлением, а также промывочным соплом, чтобы вырвать рыхлый избыточный песок. Использованы два шара для управления потоком жидкости под давлением через перфорирующую струйную насадку и/или моечное сопло, однако конструкция самого ГПП не раскрыта.
Из патента US 9447663 (B1) - Abrasive perforator with fluid bypass, THRU TUBING SOLUTIONS INC., 20.09.2016, известен инструмент, содержащий абразивный перфоратор, в котором имеются коаксиально установленные подвижные один относительно другого штоки, которые приводятся в действие посредством шаров. Изменение режимов осуществляется посредством закидывания управляющих шаров различного размера.
Наиболее близким к патентуемому является гидропескоструйный перфоратор (US 9777558 (В1) - Methods and devices for one trip plugging and perforating of oil and gas wells, THRU TUBING SOLUTIONS INC., 03.10.2017 - прототип). Абразивный перфорирующий инструмент содержит: трубчатый корпус, имеющий верхний конец и нижний конец и боковую стенку между ними с внутренним каналом, определяющим поток текучей среды; по меньшей мере одно струйное сопло в боковой стенке корпуса инструмента; и одну трубчатую втулку, расположенную с возможностью скольжения в канале потока в корпусе инструмента для открытия сопел. Недостаток устройства состоит в том, что не предусмотрены принудительные средства для возврата втулки в исходное положение для реализации процесса очистки от Песковых отходов, что делает перемещение перекрывающей втулки неадекватным приложенному давлению рабочей среды.
Проблема, на которую направлено изобретение, состоит в повышении эксплуатационной надежности инструмента и обеспечении возможности автоматического перехода из режима перфорации в режим очистки Песковых отходов при реверсивной циркуляции рабочих сред. Реверсивная циркуляция обеспечивается при подаче промывочной жидкости в скважинное пространство, а отбор Песковых отходов - через канал гидравлического инструмента настройки, образованный после разъединения с пакер-пробкой.
Патентуемый скважинный инструмент для перфорации стенок скважины включает последовательно установленные на гибкой насосно-компрессорной трубе и гидравлически сообщенные гидропескоструйный перфоратор, один порт которого связан с ГКНТ, а другой - с гидравлическим инструментом настройки и пакер-пробкой.
Гидропескоструйный перфоратор и гидравлический инструмент настройки имеют общий сквозной гидравлический канал подачи первого шара активации в гидравлический инструмент настройки с возможностью установки пакер-пробки, а также подачи второго шара активации в гидроабразивный перфоратор для включения и его последующего автоматического выключения при сбросе давления и обеспечения реверсивной циркуляции рабочих сред для очистки остаточного песка после удаления из инструмента обоих шаров.
Отличие состоит в том, что гидропескоструйный перфоратор содержит:
трубчатый корпус в форме полого удлиненного цилиндра, имеющего входной патрубок, выполненный с возможностью присоединения к ГКНТ, и выходной патрубок, выполненный с возможностью присоединения к гидравлическому инструменту настройки пакер-пробки;
струйные сопла в боковой стенке трубчатого корпуса, выполненные в износостойкой накладке, размещенной со стороны входного патрубка;
цилиндрическую втулку со сквозным каналом, диаметр которого выбран из условия прохождения первого шара активации к гидравлическому инструменту настройки.
Упомянутая цилиндрическая втулка размещена в полости трубчатого корпуса с возможностью продольного перемещения, имеет головную и хвостовую части, два кольцевых выступа в срединной части и кольцевую пружину сжатия, размещенную в выточке корпуса между ближайшим к хвостовой части выступом на хвостовой части и корпусом, при этом головная часть имеет седло для приема второго шара активации, а длина втулки выбрана из условия обеспечения гидравлической связи входного патрубка со струйными соплами при подаче абразивной среды в процессе перфорации и автоматического прекращения указанной гидравлической связи при сбросе давления при удалении второго шара активации.
Инструмент может характеризоваться тем, что цилиндрическая втулка скреплена с трубчатым корпусом посредством закрепленных в трубчатом корпусе срезаемых резьбовых штифтов, срезаемая часть которых размещена в проточке между кольцевыми выступами в срединной части втулки.
Инструмент может характеризоваться и тем, что трубчатый корпус выполнен разъемным по меньшей мере из трех частей, соединенных резьбовыми соединениями и имеющих уплотнения в местах соединения.
Инструмент может характеризоваться также тем, что диаметр сквозного канала цилиндрической втулки составляет от 1,08 до 1,12 D1, где D1 - диаметр первого шара активации.
Инструмент может характеризоваться также и тем, что износостойкая накладка выполнена методами порошковой металлургии на основе карбидов металлов, предпочтительно карбида вольфрама.
Инструмент может характеризоваться и тем, что приемным каналом отбора остаточного песка при реверсивной циркуляции потока является канал гидравлического инструмента настройки, образованный после разъединения с пакер-пробкой.
Инструмент может характеризоваться, кроме того, тем, что в головной части цилиндрической втулки выполнено кольцевое уплотнение.
Инструмент может характеризоваться также тем, что хвостовая часть цилиндрической втулки выполнена с возможностью скольжения по внутренней поверхности выходного патрубка корпуса с образованием пары поршень-цилиндр, при этом в месте перехода диаметров установлено кольцевое уплотнение, связанное сквозным каналом с внешней поверхностью корпуса.
Технический результат изобретения состоит в повышении надежности инструмента в процессе многократного открывания/закрывания перфоратора, т.е. обеспечении возможности автоматического перехода из режима перфорации в режим очистки Песковых отходов при реверсивной циркуляции рабочих сред, удобства изготовления и сборки. Термин «открывание» характеризует состояние перфоратора, обеспечивающее подачу гидроабразивной среды для выполнения перфорации, термин «закрывание» - перекрытие подачи гидроабразивной среды через сопла перфоратора и открытие сквозного канала через перфоратор для очистки Песковых отходов. Работы проводятся за один проход, включая постановку пакер-пробки, перфорацию и очистку забоя от песковой фракции.
Существо изобретения поясняется на чертежах, где:
фиг. 1 - схема состава элементов перфоратора;
фиг. 2 - перфоратор в сборе, разрез по продольной оси;
фиг. 3 - то же, что на фиг. 2, центральная часть, увеличено;
фиг. 4 - запуск шара управления к инструменту настройки (setting tool);
фиг. 5 - запуск шара управления к перфоратору;
фиг. 6 - к пояснению работы перфоратора;
фиг. 7 - к пояснению процесса очистки остаточного песка реверсивной циркуляцией.
Конструкция перфоратора поясняется на фиг. 1-3, а на фиг. 4-7 - принципы его функционирования в составе скважинного инструмента по технологии Plug and Perf.
Перфоратор 1 содержит разъемный полый удлиненный трубчатый корпус 10, состоящий из профилированных головной части 11, средней части 12 и концевой части 13, соединенных резьбовыми соединениями 15, 16, имеющими уплотнения 101 в местах соединения.
Головная часть 11 имеет фланец 17 для присоединения к ГНКТ (условно не показан). Концевая часть 13 заканчивается втулкой 14 с резьбой для присоединения к гидравлическому инструменту настройки ГИН (setting tool, англ.) (условно показан на фиг. 6, 7). ГИН реагирует на подачу входного давления для приведения в действие инструментов в стволе скважины, в патентуемом случае - для установки пакер-пробки (ПР). Конструкция таких инструментов известна (см., например, указанный выше патент US 7000705 (В2)), и в данном изобретении применяется по известному назначению. То же относится к конструкциям ПР (plug, англ.), выполняющих изоляцию скважины от протока жидкостей (условно показана на фиг. 6, 7).
На внешней поверхности 102 головной части 11 размещена втулка 20, выполненная из абразивостойкого материала, например, композитного материала на основе карбидов металлов, выполненного методами порошковой металлургии. Втулка 20 имеет сопла 21 для формирования струй абразивного материала. Сопла 21 совмещены с отверстиями 103, выполненными в головной части 11 корпуса 10, диаметр которого может составлять от 90 до 180 мм.
Внутри полого трубчатого корпуса 10, с возможностью продольного перемещения на скользящей посадке, размещена цилиндрическая втулка 30, имеющая головную часть 31, хвостовую часть 32, два кольцевых выступа 33,34, между которыми образована проточка 35. В этой проточке при сборке инструмента устанавливают срезаемые части резьбовых штифтов 121, закрепляемых в отверстиях 122 средней части 12 корпуса 10. Срединная часть 36 цилиндрической втулки 30 расположена между выступом 34 и хвостовой частью 32. Внешний диаметр хвостовой части 32 меньше диаметра головной части 31 и срединной части 36 цилиндрической втулки.
Втулка 30 имеет сквозной канал 37 с диаметром D1. Диаметр сквозного канала 37 цилиндрической втулки 30 составляет от 1,08 до 1,12 D1, где D1 - диаметр первого шара В1 активации. При конкретной реализации диаметр канала 37 составляет 13,5-14,5 мм.
На наружной поверхности головной части 31 выполнена кольцевая проточка 38 для размещения уплотнительного элемента. Головная часть 31 имеет седло 39 для посадки шара В2, запускаемого в гидравлическую систему ГКНТ и предназначенного для активации перфоратора 1.
Цилиндрическая втулка 30 совместно с шаром В2 выполняет функции клапана для открытия потока гидроабразивной среды к соплам 21. Головная часть 31 втулки имеет внешний диаметр, равный внутреннему диаметру головной части 11, тем самым образуя пару поршень-цилиндр.
Между кольцевым выступом 34 по внешней поверхности срединной части 36 втулки установлена кольцевая пружина 40 сжатия, конец которой закреплен в шайбе 41. Пружина 40 размещена в выточке 123, образованной на внутренней поверхности корпуса в зоне соединения средней 12 и концевой 13 частей корпуса, при этом свободный конец пружины 40 оперт на кольцевой выступ 34, а конец, закрепленный в шайбе 41 - на уступ в теле концевой части 13 корпуса.
Хвостовая часть 32 втулки 30 выполнена с возможностью скольжения по внутренней поверхности 141 выходного патрубка 14 с образованием пары поршень-цилиндр. В месте перехода хвостовой части 32 в патрубок 14 установлено кольцевое уплотнение 50, сообщенное сквозным каналом 131, открытым на внешнюю поверхность хвостовой части 32 корпуса.
Величина продольного перемещения цилиндрической втулки 30 внутри трубчатого корпуса 10 выбрана из условия обеспечения гидравлической связи входного патрубка 17 со струйными соплами 21 при подаче гидроабразивной среды в процессе перфорации. При удалении второго шара В2 должно обеспечиваться автоматическое прекращение указанной гидравлической связи при сбросе давления вследствие возврата пружины 40 в ненагруженное состояние.
Инструмент работает следующим образом (см. фиг. 4-7).
Инструмент включает последовательно установленные на ГНКТ гидравлически сообщенные гидроабразивный перфоратор 1 с присоединенным к нему гидравлическим инструментом настройки (ГИН) и пакер-пробкой.
После доставки на заданный горизонт через ГНКТ в инструмент забрасывают первый шар В1 активации (фиг. 4). Его размер выбран из условия свободного прохождения шара В1 с диаметром D1 по сквозному каналу 37 перфоратора 1, а далее - в ГИН. ГИН реагирует на подачу входного давления и приводит в действие инструмент в стволе скважины, а именно для установки пакер-пробки (ПР).
После того, как ГИН установит пакер-пробку в заданное положение, в ГНКТ подается под заданным рабочим давлением гидроабразивная смесь и забрасывается шар В2, в результате чего шар В2 садится в седло 39, перекрывает канал 37. Резкое повышение давления в головной части 11 срезает штифты 121 и смещает втулку 30 в сторону концевой части 13 корпуса, насколько это позволяет сделать противодействие пружины 40 (фиг. 5). Соответственно гидроабразивная среда начинает поступать под давлением через сопла 20 вне корпуса инструмента и выполнять перфорацию стенки скважины.
На фиг. 6 схематично показан процесс перфорирования скважины, где: поз. 60 - стенка скважины; 61 - направление подачи гидроабразивной среды; 62 - зоны перфорации; 63 - скважинное пространство.
На фиг. 7 схематично показан процесс очистки, где: поз. 70 - песковая фракция; 71, 72 - направление подачи промывочной жидкости; 73 - направление потока через последовательно соединенные ГИН и гидроабразивный перфоратор.
По завершении процесса перфорирования скважины обеспечивается реверсивная циркуляция жидкой среды, которая подается по скважинному пространству 63 для промывки, поскольку после успешной перфорации в скважине 60 остается много остаточного песка. Этот песок необходимо удалить до операции МГРП. Из инструмента через ГНКТ с промывочной жидкостью выводится сначала шар В2, затем В1. Шар В2 освобождает седло 39, в результате чего, вследствие упругости пружины 40, втулка 30 возвращается в исходное положение и перекрывает сопла 21. Далее, по каналу 37 из ГИН с промывочной жидкостью выводится шар В1, который позволяет отстыковать пробку-пакер ПР от ГИН и обеспечить вывод песковой фракции 70 на дневную поверхность через ГНКТ с промывочной жидкостью 74. Промывочная жидкость с песковой фракцией откачивается через канал ГИН в направлении 73.
Испытания показали, что патентуемое конструктивное выполнение перфоратора позволяет обеспечить эксплуатационную надежность в циклах выполнения перфорации и очистки забоя от Песковых отходов, а также удобство при сборке и подготовке перфоратора к работе.