СИСТЕМА И СПОСОБ МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ СТИМУЛЯЦИИ СКВАЖИН
SYSTEM AND METHOD FOR MULTI-STAGE STIMULATION OF WELLS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
В настоящем изобретении представлены система и способ стимулирования пласта в более чем одну ступень с одновременным обеспечением для оператора гибкости в ступенях, подлежащих стимулированию, или изолирования от стимуляции.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Операции по добыче нефти и газа в скважине и, в частности, указанные операции в многоступенчатых скважинах предполагают стимуляцию и добычу из одной или более зон нефтегазосодержащего пласта. Во многих случаях их выполняют путем спуска хвостовика или обсадной колонны в скважину, причем хвостовик или обсадная колонна содержит один или более скважинных клапанов для гидроразрыва, включая, без ограничений, втулки или муфты с отверстиями, расположенные через определенные интервалы вдоль ствола скважины. Клапаны для гидроразрыва обычно располагают таким образом, чтобы они совпадали с зонами пласта, подлежащими стимулированию или из которых будет производиться добыча. Клапаны должны быть управляемыми с возможностью открытия или закрытия по мере необходимости. В случае многоступенчатого гидроразрыва пласта множество клапанов для гидроразрыва используют, последовательно упорядочив их по секциям гидроразрыва пласта, как правило, начиная с носочного конца ствола скважины и постепенно продвигаясь по направлению к пяточному концу ствола скважины. Очень важно, чтобы клапаны для гидроразрыва приводились в действие в требуемом порядке, и чтобы они не открывались раньше, чем требуется.
В некоторых случаях хвостовик содержит клапаны, имеющие седла с увеличивающимся внутренним диаметром, проходящими от носка к пятке. Клапанами управляют путем перекачивания шаров, пробок или дротиков, имеющих постепенно увеличивающийся наружный диаметр вниз к хвостовику. Первый шар, имеющий наименьший наружный диаметр, проходит через все клапаны для гидроразрыва до тех пор, пока не сядет на первое седло клапана, имеющее наименьший внутренний диаметр. Когда шар садится на седло, давление текучей среды выше по стволу скважины относительно шара вызывает опускание шара в скважину и механическое перемещение указанным шаром втулки клапана вниз по скважине, открывая отверстия клапана для гидроразрыва. При таком расположении каждый клапан должен иметь уникальную конструкцию с седлами определенного размера и клапаны должны располагаться на хвостовике в определенном порядке. Кроме того, всегда необходимо иметь запас шаров со всеми величинами диаметров для возможности управления всеми уникальными седлами клапанов.
В других случаях открытие клапана для гидроразрыва достигается путем спуска узла нижней части бурильной колонны, также известного как инструмент для проведения операций в стволе скважины, вниз по колонне насосно-компрессорных труб через хвостовик или обсадную колонну, размещения в клапанах для гидроразрыва, которыми нужно управлять, и управления клапаном с помощью любых требуемых средств, включая приложение механического усилия к инструменту для проведения операций в стволе скважины, или гидравлического давления. Однако использование инструмента для проведения операций в стволе скважины не всегда желательно; колонна насосно-компрессорных труб, на которой спускают инструмент для проведения операций в стволе скважины, создает ограничение потока внутри хвостовика и препятствует полнопроходному протеканию текучей среды внутри хвостовика, требуемому для достижения необходимого давления стимуляции.
В US 2017/0175488 описан индексирующий механизм на основе дротика для открытия одного или более клапанов в хвостовике. Индексирующий механизм представляет собой втулку возвратно-поступательного действия, образованную на дротике. Втулка возвратно-поступательного действия перемещается, контактируя с каждым клапаном, а затем дротик проходит через J-образный паз до тех пор, пока индексирующая втулка не окажется в положении, в котором она войдет в зацепление и откроет выбранный клапан.
В US 9,683,419 описан модуль электрического управления с датчиками внутри дротика, причем датчики обнаруживают одну или более точек контакта на клапане/втулке, подлежащих открытию.
В заявке на патент США 2015/0060076 описан инструмент 100 с отверстиями, имеющий приемник профиля, выполненный с возможностью сопоставления приемника профиля селективному исполнительному механизму инструмента, имеющему соответствующий профилированный ключ. Каждый инструмент с отверстиями имеет приемник профиля, для которого перед спуском в скважину устанавливают определенную уникальную ориентацию. В этом аспекте инструменты с отверстиями при спуске в скважину имеют разные конфигурации.
Как описано в CA 2,842,568, втулка каждого клапана для гидроразрыва в системе хвостовиков имеет канавку с уникальной шириной для приема смещенного наружу элемента, имеющего дротик также с уникальной шириной. Клапаны для гидроразрыва расположены в скважине таким образом, что ширина канавок втулки увеличивается от пятки до носка, а дротики со смещенными элементами соответствующей ширины развертывают для приведения в действие требуемой втулки. В этом патенте также описан вариант осуществления, в котором дротик выполнен с возможностью отсоединения от указанной втулки и перемещения дальше по стволу скважины для приведения в действие скважинных втулок.
Однако по-прежнему существует потребность в простой, но надежной системе, в которой идентичные клапаны для гидроразрыва можно спускать в скважину и открывать в любой последовательности с помощью одного или более дротиков.
Следовательно, все еще существует потребность в системах клапанов для гидроразрыва, в которых не обязательно требуется использование инструмента для проведения операций в стволе скважины или уникальных клапанов для гидроразрыва и специальных шаров или пробок, а которые выполнены с возможностью открытия одного или более клапанов для гидроразрыва в любом требуемом порядке, а также в системах, позволяющих многократно открывать и закрывать один или более клапанов для гидроразрыва в хвостовике для различных целей.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предложена система, спускаемая в хвостовик, для стимуляции одной или более ступеней подземного ствола скважины. Эта система содержит один или более клапанов для гидроразрыва, установленных в хвостовике; причем все указанные клапаны для гидроразрыва имеют идентичный внутренний профиль, указанные клапаны для гидроразрыва выполнены с возможностью открытия для обеспечения сообщения по текучей среде между внутренней частью хвостовика и наружной частью ствола скважины; и по меньшей мере один дротик, выполненный с возможностью введения в хвостовик и регулирования для его прохождения через один или более клапанов для гидроразрыва без открытия указанного одного или более клапанов для гидроразрыва, а также для взаимодействия с одним или более другими клапанами для гидроразрыва и открытия одного или более других клапанов для гидроразрыва. Каждый из указанного по меньшей мере одного дротика идентичен друг другу.
Кроме того, предложен способ стимуляции одной или более ступеней подземного ствола скважины. Этот способ включает этапы спуска хвостовика вниз по стволу скважины, причем хвостовик содержит один или более клапанов для гидроразрыва, каждый из указанных клапанов для гидроразрыва имеет идентичный внутренний профиль и выполнен с возможностью открытия для обеспечения сообщения по текучей среде между внутренней частью хвостовика и наружной частью ствола скважины; закачивание по меньшей мере одного дротика в хвостовик, прохождение указанного по меньшей мере одного дротика через один или более клапанов для гидроразрыва без их открытия и зацепление указанного по меньшей мере одного дротика внутри одного или более других клапанов для гидроразрыва и открытие одного или более других клапанов для гидроразрыва. Каждый из указанного по меньшей мере одного дротика идентичен друг другу.
Следует понимать, что другие аспекты настоящего изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники после ознакомления с нижеследующим подробным описанием, в котором различные варианты осуществления настоящего изобретения показаны и описаны в качестве иллюстрации. Следует понимать, что настоящее изобретение допускает другие и отличные варианты осуществления, и некоторые его детали могут быть изменены в различных других отношениях, но без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения. Соответственно, чертежи и подробное описание следует рассматривать как иллюстративные по своему характеру, а не как ограничивающие.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее приведено дополнительное подробное описание настоящего изобретения, которое кратко описано выше, со ссылками на нижеследующие чертежи конкретных вариантов осуществления изобретения. На чертежах изображены лишь типовые варианты осуществления настоящего изобретения и поэтому их не следует рассматривать как ограничивающие его объем.
На чертежах:
на фиг. 1 представлен вид в вертикальном разрезе колонны-хвостовика с одним примером системы согласно настоящему изобретению, спускаемой по горизонтальному открытому стволу скважины и зацементированной в требуемом месте;
на фиг. 2 представлен вид в вертикальном разрезе колонны-хвостовика с еще одним примером системы согласно настоящему изобретению, спускаемой по горизонтальному открытому стволу скважины с пакерами, изолирующими ступени пласта, подлежащие стимулированию;
на фиг. 3 представлен вид в вертикальном разрезе одного примера клапана для гидроразрыва согласно настоящему изобретению;
на фиг. 4 представлен вид в вертикальном разрезе одного примера дротика согласно настоящему изобретению с соответствующим шаром;
на фиг. 5 представлен вид в вертикальном разрезе клапана для гидроразрыва по фиг. 3 с дротиком по фиг. 4 и шаром, взаимодействующим с ним внутри, в открытом положении клапана для гидроразрыва;
на фиг. 6 представлен вид в вертикальном разрезе клапана для гидроразрыва по фиг. 3 с дротиком по фиг. 4 и шаром, взаимодействующим с ним внутри, изображающий верхнюю цангу дротика в выдвинутом положении, зацепленную с буртиком клапана для гидроразрыва;
на фиг. 7 представлен вид в вертикальном разрезе клапана для гидроразрыва по фиг. 3 с дротиком по фиг. 4 и шаром, взаимодействующим с ним внутри, изображающий нижнюю цангу в выдвинутом положении и верхнюю цангу дротика в отведенном положении, так что дротик может проходить через клапан для гидроразрыва и ниже по потоку;
на фиг. 8 представлен вид в вертикальном разрезе последующего клапана для гидроразрыва, следующего за клапаном для гидроразрыва по фиг. 7 с дротиком по фиг. 4 и шаром, взаимодействующим с ним внутри, изображающий нижнюю цангу в выдвинутом положении, зацепленную с буртиком последующего клапана для гидроразрыва, и верхнюю цангу дротика в отведенном положении;
на фиг. 9 представлен вид в вертикальном разрезе клапана для гидроразрыва по фиг. 8 с дротиком по фиг. 4 и шаром, взаимодействующим с ним внутри, на котором показано, что нижняя цанга теперь находится в отведенном положении и теперь переместилась ниже по потоку мимо буртика, а верхняя цанга дротика в выдвинутом положении теперь зацеплена с буртиком;
на фиг. 10a представлен вид в вертикальном разрезе еще одного варианта осуществления дротика согласно настоящему изобретению, изображающий сужающийся внутренний диаметр мандрели дротика у седла шара;
на фиг. 10b представлен вид в вертикальном разрезе еще одного варианта осуществления дротика согласно настоящему изобретению, изображающий последовательность выступов на наружном диаметре мандрели дротика у седла шара;
на фиг. 11 представлен вид в вертикальном разрезе еще одного варианта осуществления дротика, изображающий упругое кольцо;
на фиг. 12 представлен вид в вертикальном разрезе еще одного варианта осуществления дротика, изображающий функцию обратного потока;
на фиг. 13 представлен частичный вид в разрезе одного варианта осуществления дротика согласно настоящему изобретению, взаимодействующего в одном варианте осуществления клапана для гидроразрыва согласно настоящему изобретению; и
на фиг. 14 представлен частичный вид в разрезе одного варианта осуществления клапана для гидроразрыва согласно настоящему изобретению, взаимодействующего с дротиком согласно настоящему изобретению.
Чертеж не обязательно выполнен в масштабе, а в некоторых случаях пропорции могли быть преувеличены для более наглядного изображения определенных признаков.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеследующее описание и представленные в нем варианты осуществления приведены в качестве иллюстрации примера или примеров конкретных вариантов осуществления принципов, соответствующих различным аспектам настоящего изобретения. Указанные примеры представлены с целью объяснения, а не ограничения этих принципов и настоящего изобретения в различных его аспектах.
Описанные в настоящем документе устройства и системы обеспечивают взаимодействие между внутренней частью обсаженного ствола скважины или ствола скважины с хвостовиком и окружающего пласта горной породы. Как показано на фиг. 1 и 2, обсадная труба или хвостовик 2 могут быть зацементированы в стволе скважины, или пакеры 5 могут быть использованы для изолирования секций обсадной трубы или хвостовика 2. Кроме того, ствол скважины может быть зацементирован и может иметь пакеры 5. Ствол скважины может представлять собой необсаженный или обсаженный ствол скважины, или же их комбинацию с обсаженным участком и открытым участком. Ствол скважины может быть вертикальным, горизонтальным, искривленным или может иметь любую ориентацию.
Вдоль длины обсадной колонны или колонны-хвостовика 2 могут быть установлено множество клапанов 6 для гидроразрыва. Хотя в настоящем описании использован термин «хвостовик», следует понимать, что подразумеваются как обсадная колонна, так и колонна-хвостовик.
Клапаны 6 для гидроразрыва установлены на хвостовике 2 и рационально размещены по его длине на расстоянии друг от друга. Порядок, в котором установлены клапаны для гидроразрыва, не имеет значения, поскольку все клапаны для гидроразрыва идентичны и имеют одинаковые отверстия.
Носочный клапан 8 расположен рядом с нижним или носочным концом 10 хвостовика 2. Хвостовик спускают в скважину. Когда хвостовик 2 достигает забоя скважины, он может быть зацементирован в пласте с использованием известных способов цементирования, как показано на фиг. 1. Альтернативно, его могут не цементировать в скважине. Как видно на фиг. 2, пакеры 5 для необсаженного ствола, установленные на хвостовике 2, могут быть использованы для обеспечения изоляции вдоль длины хвостовика 2.
Как показано на фиг. 3–13, настоящая система состоит из двух основных компонентов: клапана 6 для гидроразрыва и дротика 14. Клапан 6 для гидроразрыва устанавливают на обсадной трубе или хвостовике 2, как упоминалось ранее, и множество клапанов для гидроразрыва могут быть размещены на расстоянии друг от друга вдоль хвостовика 2. Дротик 14 закачивают по внутренней части обсадной трубы или хвостовика 2. Может быть закачан один или более дротиков 14, в зависимости от количества ступеней пласта, которые необходимо стимулировать.
Все показанные на фиг. 3 клапаны для гидроразрыва 6, установленные на хвостовике 2, идентичны. Нет необходимости в применении разных клапанов с разными размерами седла. Клапаны 6 для гидроразрыва не нужно устанавливать в каком-либо конкретном порядке. Все они имеют аналогичные концевые соединения, одинаковый наружный диаметр (O.D.) и внутренний профиль. Все седла 16 всех клапанов 6 для гидроразрыва имеют одинаковый профиль. Эти седла 16 действуют как сдвижные втулки, открывая отверстие 18 для обеспечения сообщения по текучей среде между внутренней частью хвостовика 2 и окружающим его пластом. По этой причине в некоторых случаях седла 16 клапана также называют втулками 16 клапана, но следует понимать, что эти два термина соответствуют одному и тому же элементу. Давление открытия, требуемое для смещения седла 16, регулируют путем установки срезных винтов 20, которые удерживают седло 16 на корпусе клапана 6 для гидроразрыва. Обычно для всех клапанов 6 для гидроразрыва на хвостовике 2 может быть установлено одинаковое давление открытия или величина срезающего усилия.
Как показано на фиг. 4, в одном варианте осуществления настоящий дротик 14 содержит механизм регулировки в виде индексирующей втулки 22, мандрели 24 и крышки 36. Индексирующая втулка 22 образует верхнюю цангу 28 и нижнюю цангу 30. Крышка 36 предотвращает случайное смещение индексирующей втулки 22. Канавки 32, расположенные по окружности вокруг наружного диаметра мандрели 24, определяют местоположение индексирующей втулки 22, а также положение верхней цанги 28 и нижней цанги 30. Скос 42 на верхнем крае мандрели 24 выполняет функцию начального седла шара. Уплотнение 38 на верхнем наружном диаметре мандрели 24 действует как вторичное уплотняющее приспособление во время осуществления гидравлического разрыва пласта. Дротик 14 имеет канал 40, проходящий через центр мандрели 24, который обеспечивает прохождение добываемой текучей среды. Канал 40 является достаточно большим, чтобы создавать очень незначительное сопротивление для потока из пласта.
Как верхняя, так и нижняя цанги 28, 32 естественным образом смещены вовнутрь в радиальном направлении. Это смещение позволяет удерживать индексирующую втулку 22 на мандрели 24. Шар 200, используемый для проталкивания дротика 14 в скважину, действует как барьер давления во время осуществления процедур гидравлического разрыва пласта.
Далее, со ссылкой на фиг. 6–9 описано прохождение настоящего дротика 14 через один или более настоящих клапанов 6 для гидроразрыва. Дротик 14 с шаром 200, опирающимся на конец мандрели 24, расположенный выше по стволу скважины, закачивают в хвостовик 2. Понятно, что, хотя на фигурах показан шар 200, может быть применена пробка или любое другое средство блокирования потока через канал дротика 14 без отступления от объема настоящего изобретения. Например, концы мандрели 24, расположенные выше или ниже по стволу скважины, могут быть закрыты постоянной или съемной заглушкой. В качестве дополнительного примера крышка 36 мандрели в некоторых случаях может представлять собой сплошную крышку, а не кольцо, для блокирования потока через мандрель на конце дротика 14, расположенном ниже по стволу скважины.
Хотя все клапаны 6 для гидроразрыва и дротики 14 идентичны, расстояние между индексирующей втулкой 22 и крышкой 36 на каждом дротике различается. Если индексирующая втулка 22 дротика 14 установлена таким образом, что она соприкасается с крышкой 36, такой дротик выполнен с возможностью прохождения мимо всех клапанов для гидроразрыва, остановки на клапане 6 для гидроразрыва, ближайшем к носочному концу 10 хвостовика 2, и взаимодействия с ним. Поскольку местоположение индексирующей втулки 22 установлено на расстоянии в приращениях от крышки 36, конкретный дротик 14 выполнен с возможностью посадки на последующие клапаны для гидроразрыва и взаимодействия с ними, которые расположены после клапана для гидроразрыва, ближайшего к носочному концу 10.
Например, исключительно в качестве иллюстрации, если расстояние между индексирующей втулкой 22 и крышкой 36 равно ¼ дюйма, такой дротик 14 выполнен с возможностью прохождения всех клапанов для гидроразрыва до второго клапана для гидроразрыва и взаимодействия с ним от носочного конца 10. Таким образом, длину канавчатого 32 участка мандрели 24 дротика устанавливают на основании количества клапанов 6 для гидроразрыва в данном хвостовике. Например, дротик 14, показанный на фиг. 4, может быть использован, если в хвостовике 2 имеется одиннадцать клапанов 6 для гидроразрыва. Длина мандрели 24 и количество круговых канавок 32 могут быть такими, чтобы они соответствовали требуемому количеству клапанов 6 для гидроразрыва. Кроме того, расстояние между канавками не ограничено ¼ дюйма, оно указано исключительно для иллюстративных целей. Между крышкой 36 и индексирующей втулкой 22 в некоторых случаях также может быть использована распорная втулка (не показана) для обеспечения правильного местоположения индексирующей втулки относительно мандрели.
Дротик 14 и шар 200 вводят в скважину и закачивают вниз по стволу скважины до тех пор, пока они не вступят в контакт с клапаном 6 для гидроразрыва, ближайшим к пятке 12 скважины. Как видно на фиг. 6, верхняя цанга 28 на индексирующей втулке 22 упирается в буртик 50, образованный на скользящей втулке 16 клапана 6 для гидроразрыва. Еще в одном варианте нижняя цанга 30 может находиться в положении упирания в буртик 50, образованный на скользящей втулке 16. В этом отношении для специалиста в данной области техники будет очевидно, что, хотя приведенное ниже описание относится к начальному положению, в котором верхняя цанга упирается в буртик 50, начальное положение дротика 14 в клапане 6 для гидроразрыва может варьироваться.
Давление, действующее на шар 200, создает усилие на мандрели 24 дротика 14. Когда это усилие превышает усилие, требуемое для преодоления смещения и подачи нижней цанги 30 наружу в радиальном направлении между двумя канавками 32, верхняя цанга 28 отводится в радиальном направлении в следующую выше по стволу скважины круговую канавку 32 на мандрели 24 вверх по скважине, а мандрель может быть смещена ниже по стволу скважины относительно индексирующей втулки 22, как показано на фиг. 7.
Теперь, когда верхняя цанга 28 отведена в радиальном направлении, дротик 14 может свободно перемещаться вниз по стволу скважины через канал клапана 6 для гидроразрыва. Индексирующая втулка 22 и мандрель 24 остаются в этом относительном положении до тех пор, пока не достигнут следующего клапана 6 для гидроразрыва ниже по стволу скважины в хвостовике 2. В этот момент, как показано на фиг. 8, нижняя цанга 30 подается наружу в радиальном направлении и контактирует с буртиком 50 скользящей втулки 16 внутри клапана 6 для гидроразрыва. Опять же, давление, действующее на шар 200, создает усилие на мандрели 24 дротика 14 и когда это усилие превышает усилие, требуемое для преодоления смещения и подачи верхней цанги 28 наружу в радиальном направлении, мандрель 24 смещается ниже по стволу скважины относительно индексирующей втулки 22, а нижняя цанга 30 входит в следующую расположенную выше по стволу скважины круговую канавку 32 на мандрели 24. Таким образом, дротик 14 продвигается в канале скользящей втулки 16 до тех пор, пока верхняя цанга 28, которая теперь подана наружу в радиальном направлении, не будет упираться в буртик 50 скользящей втулки, как показано на фиг. 9.
Этот процесс будет самопроизвольно повторяться на каждом клапане 6 для гидроразрыва вдоль хвостовика 2 до тех пор, пока верхняя цанга 28 индексирующей втулки 22 не будет упираться в удерживающую поверхность 52 на мандрели 24, которая подает верхнюю цангу 28 наружу в радиальном направлении.
Мандрель 24 с удерживающей поверхностью 52, опирающейся на верхнюю цангу 28, не может перемещаться дальше вниз по стволу скважины относительно верхней цанги 28 из-за буртика 54 мандрели, образованного на мандрели 24. В этот момент верхняя цанга 28 передает сжимающее усилие во втулку 16 клапана 6 для гидроразрыва посредством буртика 50. Если приложенная нагрузка превышает величину срезающего усилия для винтов 20, удерживающих втулку 16 на клапане 6 для гидроразрыва, винты срезаются, что позволяет шару 200, дротику 14 и втулке 16 смещаться. В результате этого открываются отверстия 18 для гидроразрыва. Теперь втулка 6 для гидроразрыва открыта и текучая среда для стимуляции может быть закачана через отверстия 18 в пласт, как показано на фиг. 5. Как также видно на фиг. 5, шар 200 также вталкивается в расширяемый вверх по стволу скважины участок 24а мандрели 24 и садится на седло 42 шара.
Если скользящая втулка открывается и во время гидроразрыва, расширяемый вверх по стволу скважины участок 24а мандрели 24 расширяется в радиальном направлении и контактирует с внутренним каналом скользящей втулки 16. Это действие приводит к созданию уплотнения между дротиком 14 и скользящей втулкой 16; оно также приводит к передаче сжимающей нагрузки на скользящую муфту 16, увеличивая контактную нагрузку между верхней цангой 28 и буртиком 50 скользящей муфты. Непроходной буртик, образованный на внутренней поверхности наружного корпуса 44 клапана для гидроразрыва, ограничивает перемещение скользящей муфты 16 и передает усилие, создаваемое во время осуществления гидроразрыва, на наружный корпус 44 клапана 6 для гидроразрыва. В свою очередь клапан 6 для гидроразрыва передает нагрузку на хвостовик 2.
В ходе эксплуатации настоящей системы на первом этапе, когда хвостовик 2 спускают вниз по стволу скважины, клапаны 6 для гидроразрыва изолируют либо путем цементирования, либо путем активации пакеров 5 или любых других средств. Приложенное к хвостовику давление текучей среды вызывает смещение носочного клапана 8 с его открытием и открытие отверстий в носочном клапане 8, через которые текучие среды могут быть закачаны в пласт. Благодаря этому поток текучей среды может проходить через хвостовик 2, а затем одна или более пар шаров 200 и дротиков 14 могут быть закачаны внутрь хвостовика 2, поскольку любая вытесненная при перекачивании текучая среда может выходить через отверстия в носочном клапане 8 и в пласт.
Шар 200 и дротик 14 проходят через каждый из заданного количества клапанов 6 для гидроразрыва, пока не достигнут клапана 6 для гидроразрыва, подлежащего открытию. Обычно, но не обязательно, клапан 6 для гидроразрыва расположен ближе всего к носочному концу 10 ствола скважины. Верхняя цанга 28 в дротике 14 приводится в действие для фиксации в положении зацепления к тому моменту, когда она упирается в седло 16 закрытого клапана 6 для гидроразрыва, так что шар 200 и дротик 14 не имеют возможности пройти через седло 16 требуемого клапана для гидроразрыва 6. Как описано ранее, давление начинает повышаться в хвостовике 2 выше по стволу скважины относительно дротика 14 и, когда перепад давления на дротике 14 будет равен давлению открытия втулки 16, втулка 16 сместится в открытое положение, открывая отверстия 18 для гидроразрыва. Втулка 16 обычно уравновешивается давлением до тех пор, пока с ней не начнет взаимодействовать дротик 14.
После стимуляции первой ступени с поверхности могут быть закачаны второй шар 200 и дротик 14. Опять же, второй шар 200 и дротик 14 могут проходить через любое заданное количество клапанов 6 для гидроразрыва, не открывая их, а индексирующая втулка 22 выполнена с возможностью каждый раз переходить в положение отсутствия зацепления. Верхняя цанга 28 будет зафиксирована только тогда, когда она будет упираться в удерживающую поверхность 52. Затем верхняя цанга 28 снова будет упираться в буртик 50 седла 16. Когда прикладываемое давление текучей среды выше по стволу скважины относительно шара 200 увеличивается, он срезает винты 20, удерживающие втулку 16 в закрытом положении. Шар 200, дротик 14 и втулка 16 сдвигаются, открывая отверстия 18 для гидроразрыва.
Таким образом, хотя все дротики 14 и все клапаны 6 для гидроразрыва идентичны друг другу, начальное местоположение индексирующей втулки вдоль круговых канавок 32 на мандрели может быть установлено таким образом, чтобы она ударялась об удерживающую поверхность 52 и буртик 54 мандрели после того, как дротик 14 пройдет через заданное количество клапанов 6 для гидроразрыва.
Каждый дротик 14 при необходимости может быть помечен или идентифицирован для обозначения втулки 6 для гидроразрыва, которую он должен открыть. Это может позволить обеспечить, чтобы дротики 14 были развернуты в правильной последовательности.
Как показано на фиг. 10a, в одном варианте осуществления расширяемый вверх по стволу скважины участок 24а мандрели 24 имеет сужающийся внутренний диаметр. Когда шар 200 заклинивается на коническом участке, он расширяет участок 24a наружу в радиальном направлении, контактируя с внутренним диаметром скользящей втулки 16. Контактирующие поверхности образуют уплотнение, а также позволяют передавать сжимающие усилия в скользящую втулку 16. В этом варианте осуществления учитывается изменение диаметров как скользящей втулки 16, так и мандрели 24 дротика.
В еще одном варианте осуществления, изображенном на фиг. 10b, расширяемый вверх по стволу скважины участок 24a расширяется наружу в радиальном направлении, контактируя с внутренним диаметром скользящей втулки 16. Множество выступов 60 деформируются и создают множество круговых уплотнений. Деформированные выступы также позволяют передать сжимающие нагрузки на скользящую муфту 16.
Вариант осуществления, который основан не на расширении расширяемого вверх по стволу скважины участка 24а мандрели 24, показан на фиг. 11. В этом варианте осуществления может быть использован уплотнительный элемент. Когда дротик 14 оказывается внутри сопряженной с ним втулки 6 для гидроразрыва, упругое кольцо 62, зажатое между верхней цангой 28 на индексирующей втулке 22 и буртиком 54 мандрели, расширяется вследствие воздействия передаваемой через него сжимающей нагрузки. Упругое кольцо 62 образует уплотнение между расположенным выше по стволу скважины участком 24 мандрели 24 и скользящей муфтой 16 внутри клапана 6 для гидроразрыва.
Независимо от используемого варианта осуществления уплотнение, образованное между дротиком 14 и клапаном 6 для гидроразрыва, изолирует тонкостенный расположенный ниже по стволу скважины участок 24b мандрели 24 от давления смятия во время гидравлического разрыва пласта и от сжимающих усилий, которые могут вызвать продольный изгиб труб. Оба указанных признака позволяют оптимизировать внутренний диаметр мандрели 24 до максимально возможного диаметра, тем самым обеспечивая наибольшее проходное сечение канала 40 в мандрели.
Другой вариант осуществления клапана 6 для гидроразрыва и дротика 14 показан на фиг. 14. В этом варианте осуществления один дротик 14 используют для открытия множества клапанов 6 для гидроразрыва. В этом варианте осуществления втулка 16 клапана 6 для гидроразрыва предпочтительно содержит установленный на ней временно непроходной буртик 56. Аналогично вышеуказанному, когда дротик 14 закачивают через расположенные выше по стволу скважины клапаны 6 для гидроразрыва, индексирующая втулка 22 постепенно продвигается по круговой канавке 32. Когда верхняя цанга 28 контактирует с удерживающей поверхностью 52 и буртиком 54 мандрели, как показано на фиг. 14, мандрель 24 дротика 14 больше не может перемещаться дальше вниз по стволу скважины относительно индексирующей втулки 22. Приложенное давление создает усилие, передаваемое от верхней цанги 28 к втулке 16. Это усилие приводит к срезанию винтов 20, удерживающих втулку 16 на месте. Шар 200, дротик 14 и втулка 16 смещаются ниже по стволу скважины, открывая отверстия 18 для гидроразрыва. В этот момент временно непроходной буртик 56 выровнен с внутренней канавкой 58, образованной на внутренней поверхности наружного корпуса 44 клапана для гидроразрыва. Находящаяся снаружи в радиальном направлении верхняя цанга 28 толкает временно непроходной буртик 56 наружу в радиальном направлении в канавку 58, тем самым перемещая временно непроходной буртик 56 в сторону, так что он больше не является препятствием. Теперь дротик 14 может быть закачан через клапан 6 для гидроразрыва и вниз по стволу скважины до тех пор, пока он не окажется в следующем клапане 6 для гидроразрыва, где процесс повторяется. Может быть установлено множество клапанов 6 для гидроразрыва, содержащих временно непроходной буртик 56 и открываемых с помощью одного дротика 14. Таким образом, клапаны 6 для гидроразрыва вдоль хвостовика 2, как правило, открывают в направлении от пятки 12 к носку 10.
Следует отметить, что индексирующая втулка 22 в дротике 14 согласно варианту осуществления по фиг. 14 все так же может быть изначально выполнена с возможностью прохождения через один или более клапанов для гидроразрыва, относящихся к типу, показанному на фиг. 3 или фиг. 5–9, а затем, в конечном итоге, происходит взаимодействие, открытие и прохождение через один или более клапанов 6 для гидроразрыва, таких как клапаны, показанные на фиг. 14.
В определенных секциях скважины, как показано на фиг. 5–9, могут быть использованы клапаны 6 для гидроразрыва, которые открывают с помощью специального дротика 14. В других сегментах той же скважины может быть предпочтительнее проводить стимуляцию путем последовательного открытия клапанов 6 для гидроразрыва с помощью одного дротика 14, показанного на фиг. 14. При открытии клапанов с помощью одного дротика 14 первый клапан 6 для гидроразрыва в последовательности клапанов, подлежащих открытию, обычно будет расположен ближе всего к пяточному концу 12, а последний клапан 6 для гидроразрыва в последовательности клапанов, подлежащих открытию, обычно будет расположен ближе всего к носочному концу 10. После открытия клапанов 6 для гидроразрыва стимуляция через них может быть осуществлена одновременно.
Когда все требуемые клапаны 6 для гидроразрыва в хвостовике 2 открыты и осуществлена стимуляция, может быть произведена добыча текучих сред из пласта, протекающих в скважину и в хвостовик 2 через отверстия 18. Шары 200 поднимаются со своих седел за счет этого обратного потока текучей среды.
Шар может быть изготовлен из различных материалов, включая фенольный полимер, сталь, алюминий или растворимый композит. Мандрель может быть изготовлена из стали, алюминия или растворимого композита. В предпочтительном варианте осуществления как шар 200, так и дротик 14 могут быть выполнены из растворимого материала. В таких случаях нет необходимости в извлечении дротика 14 из скважины. Если шары 200 растворяются, добытая текучая среда проходит через дротики 14 с большим внутренним диаметром и дротики 14 могут оставаться на месте. Если шары 200 не растворяются, через дротик проходит обратный поток, как описано ниже, уносящий шары 200, которые проталкиваются к расположенному ниже по стволу скважины концу соответствующих им расположенных выше по потоку дротиков 14 и выше по стволу скважины относительно дротиков 14.
В другом варианте инструмент для проведения операций в стволе скважины может быть опущен на гибкой насосно-компрессорной трубе или обычной трубе и может быть использован для закрытия или повторного открытия клапанов 6 для гидроразрыва в системе. Если, например, в конкретном сегменте ствола скважины начинает поступать вода, соседний клапан 6 для гидроразрыва может быть закрыт. Если необходимо иметь возможность вернуться и провести повторный гидравлический разрыв определенного сегмента пласта, клапаны 6 для гидроразрыва в области, которая была ранее открыта, могут быть закрыты с помощью инструмента для проведения операций в стволе скважины. Если необходимо выполнить повторный гидравлический разрыв пласта, настоящая система клапанов 6 для гидроразрыва и дротиков 14 позволяет по мере необходимости открывать, закрывать или повторно открывать клапаны 6 для гидроразрыва. Инструмент для проведения операций в стволе скважины может быть использован, если шар 200 растворился, а дротик 14 все еще находится на своем месте в клапане для гидроразрыва, в том случае, если шар 200 и дротик 14 поднялись обратно на поверхность, или в том случае, если шар 200 и дротик 14 растворились.
Клапаны 6 для гидроразрыва, которые первоначально были установлены в процессе строительства скважины и никогда ранее не открывались, теперь могут быть открыты с помощью настоящего дротика 14, поскольку его можно установить с возможностью прохождения через любое количество клапанов 6 для гидроразрыва выше по стволу скважины относительно клапана для гидроразрыва, подлежащего открытию, без взаимодействия с каким-либо из расположенных выше по стволу скважины клапанов 6 для гидроразрыва и захвата им. Варианты размещения и расположения клапанов 6 для гидроразрыва, относящихся к типу, показанному на фиг. 3 или 14, не ограничены. Настоящая система обеспечивает для оператора полное управление операциями стимуляции и добычи на всех ступенях ствола скважины. Поскольку клапаны 6 для гидроразрыва можно открывать, закрывать и повторно открывать в любом порядке, для оператора обеспечивается инновационная гибкость.
Дротики 14 могут быть подняты потоком обратно на поверхность после завершения выполнения операции по гидравлическому разрыву пласта и добычи из скважины. В этом варианте осуществления шар от расположенного ниже по потоку дротика 14 перемещается по ходу потока, увлекаемый потоком добываемой текучей среды, и останавливается на нижнем по ходу потока конце мандрели 24 расположенного выше по потоку дротика 14, таким образом, блокируя поток через внутренний канал 40 мандрели 24. Давление, действующее на расположенный ниже по стволу скважины конец мандрели 24, вызывает перемещение индексирующей втулки 22 в обратном направлении каждый раз, когда дротик 14 перемещается вверх по ходу потока и проходит через расположенный выше по потоку клапан 16 для гидроразрыва. В случае закачивания азота во время выполнения гидравлического разрыва пласта, азот способствует поднятию дротика 14 потоком обратно на поверхность. Пластовая текучая среда или текучая среда для гидравлического разрыва пласта также могут способствовать этому процессу. Если шар 200 изготовлен из растворимого материала, это может быть полезным, если дротик 14 случайно застрял в любой точке во время протекания обратного потока.
Как показано на фиг. 12, в дополнительном варианте осуществления настоящего дротика 14 отверстие 64, расположенное на мандрели 24 дротика 14, может обеспечивать сообщение между наружной поверхностью мандрели и внутренней поверхностью мандрели. Это позволяет текучей среде проходить мимо дротика в случае возникновения экранирования. Для целей настоящего описания экранирование представляет собой состояние, которое возникает, когда твердые частицы, содержащиеся в текучей среде для обработки приствольной зоны, такой как проппант в текучей среде для гидравлического разрыва пласта, вызывают сужение проходного сечения. Это приводит к внезапному и значительному ограничению потока текучей среды, которое вызывает быстрое повышение давления на выходе насоса.
Через отверстие 64 добытые текучие среды также могут вытекать на поверхность в случае использования шаров 200, которые не растворяются. Шар 200 от расположенного ниже по стволу скважины дротика 14 поднимается обратным потоком и садится на нижний конец дротика 14, расположенный выше по стволу скважины. Через отверстие 64 в мандрели 24 текучая среда может обходить шар 200 и протекать обратно на поверхность. Эта функция также может быть использована для дротиков с фиксирующим механизмом.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 13, предложен механизм, с помощью которого индексирующая втулка 22 может быть заблокирована на месте в положении зацепления на мандрели 24. В этом варианте осуществления удерживающая поверхность 52 может быть в некоторой степени удлинена, так что, когда дротик 14 оказывается на требуемом клапане для гидроразрыва, индексирующая втулка 22 продолжает перемещаться относительно мандрели 24, смещая нижнюю цангу 30 также в выдвинутое наружу в радиальном направлении положение, аналогично верхней цанге 28. Пружинящее стопорное кольцо 66, образованное на удерживающей поверхности затем входит в канавку 68, образованную на сопряженной поверхности верхней цанги 28, таким образом, блокируя индексирующую втулку 22 на месте относительно мандрели 24. В других вариантах осуществления настоящего изобретения, которые не показаны, в качестве механизма блокировки могут быть применены любые пригодные средства для предотвращения любого осевого перемещения верхней цанги 28 и индексирующей втулки 22 относительно мандрели 24 с удержанием при этом нижней цанги 30 в положении ее подачи наружу в радиальном направлении. Например, зацепление верхней цанги 28 с дополнительным буртиком на мандрели 24 для предотвращения относительного перемещения мандрели 24 относительно индексирующей втулки 22 также будет допустимым и входит в объем настоящего изобретения.
Как показано на фиг. 11, еще в одном варианте осуществления срезной штифт 48, расположенный между индексирующей втулкой 22 и мандрелью 24, предотвращает преждевременное перемещение индексирующей втулки 22 относительно мандрели 24. Срезной штифт 48 срезается всякий раз, когда дротик 14 достигает первого клапана 6 для гидроразрыва в хвостовике.
Описанный выше процесс представляет собой новый способ проектирования и строительства скважин. Он обеспечивает для оператора множество вариантов комплектования ствола скважины, а также ступеней стимуляции и добычи. Скважина может быть укомплектована клапанами 6 для гидроразрыва, которые открываются независимо друг от друга с помощью отдельных дротиков 14 (как в случае клапанов 6 для гидроразрыва, показанных на фиг. 3). Скважина также может быть укомплектована клапанами 6 для гидроразрыва, которые открываются одновременно с другими клапанами 6 для гидроразрыва с помощью одного дротика 14 (как в случае клапанов 6 для гидроразрыва, показанных на фиг. 14). Альтернативно, клапаны 6 для гидроразрыва обоих типов могут использовать в одном и том же хвостовике 2 и упорядочивать в любой конфигурации. Поскольку каждый дротик 14 предназначен для открытия конкретных клапанов и типов клапанов, ни один из клапанов не может быть преждевременно открыт дротиком 14. Клапаны 6 для гидроразрыва могут быть открыты для проведения гидравлического разрыва пласта и стимуляции перед началом добычи из пласта. По истечении заданного периода времени клапаны 6 для гидроразрыва, которые ранее не открывали для проведения гидравлического разрыва пласта или стимуляции, могут быть открыты, и через них можно выполнить стимулирование пласта.
Настоящие системы и инструменты представляют элементы новизны, касающиеся конструкции клапана для гидроразрыва и дротика, а также операций стимуляции и добычи. В настоящем изобретении один дротик 14 может быть использован для открытия одного клапана 6 для гидроразрыва или множества клапанов 6 для гидроразрыва. Дротик 14 можно отрегулировать для открытия определенного клапана 6 для гидроразрыва или комбинации клапанов 6 для гидроразрыва. Инновационный механизм синхронизации дротика 14 позволяет настроить дротик 14 таким образом, чтобы он проходил через требуемое количество клапанов для гидроразрыва, а затем взаимодействовал с определенным клапаном 6 для гидроразрыва или множеством клапанов 6 для гидроразрыва и открывал его (их).
Способ и системы, описанные в настоящем документе, позволяют осуществлять доступ к неограниченному почти полному внутреннему диаметру буровой скважины, поскольку дротики 14 закачивают в скважину, а не спускают на инструменте для проведения операций в стволе скважины или другой развернутой системе насосно-компрессорных труб, которая может ограничивать внутренний диаметр хвостовика 2. Инструменты для проведения операций в стволе скважины могут быть использованы с системой для закрытия, открытия или повторного открытия определенных или множества клапанов для гидроразрыва по усмотрению оператора.
Предшествующее описание раскрытых вариантов осуществления предоставлено для того, чтобы любой специалист в данной области техники мог осуществить или использовать настоящее изобретение. Различные изменения этих вариантов осуществления будут очевидными для специалистов в данной области техники, а общие принципы, определенные в данном документе, могут быть применены в отношении других вариантов осуществления без отступления от сущности или объема настоящего изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не ограничивается представленными в настоящем документе вариантами осуществления, а соответствует полному объему, согласующемуся с формулой изобретения, в которой ссылка на элемент в единственном числе, например, с применением грамматических средств выражения формы единственного числа, не означает «один и только один», если специально не указано иное, а скорее означает «один или более». Все конструкционные и функциональные эквиваленты элементов различных вариантов осуществления, описанных в настоящем раскрытии, которые известны или позже станут известны специалистам в данной области техники, охватываются элементами формулы изобретения. Кроме того, ничто из раскрытого в настоящем документе не предназначено для всеобщего ознакомления, независимо от того, изложено ли такое раскрытие в явном виде в формуле изобретения. Никакой из элементов формулы изобретения не следует толковать в соответствии с положениями шестого параграфа 35 USC 112, если только этот элемент не указан явным образом с использованием выражения «средство для» или «этап для».