Устройство для ремонта нефтяных и/или газовых скважин (варианты)
DEVICE FOR REPAIRING OIL /OR GAS WELLS (VERSIONS)

Предлагаемая группа изобретений относится к горному делу, добыче нефти и газа, в частности, к устройствам для ремонта нефтяных и/или газовых скважин с применением перфорации и гидравлического разрыва пласта (далее ГРП), и может быть использована при осуществлении способов усиленной добычи углеводородов.
Из уровня техники известно устройство по патенту на изобретение RU 2667171 C1, МПК E21B43/267, E21B43/112 и др., 17.09.2018 г., содержащее установленные на насосно-компрессорных трубах (НКТ) пакер и перфоратор, при этом пакер содержит механизм крепления в эксплуатационной колонне, эластичные элементы; перфоратор содержит корпус в виде стакана, в верхней части которого выполнены циркуляционные окна, площадь проходного сечения которых не менее площади проходного сечения труб НКТ, а в нижней части корпуса выполнены радиальные отверстия, в которых установлены разрушающие элементы, при этом во внутренней полости корпуса перфоратора размещены втулка с возможностью перемещения относительно корпуса и приводной элемент, контактирующий с разрушающими элементами. Данное устройство является наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели и принимается в качестве прототипа.
Устройство по прототипу за счёт выполнения циркуляционных окон с площадью проходного сечения не менее площади проходного сечения труб НКТ позволяет увеличить скорость закачки в пласт жидкости ГРП, а за счёт снабжения устройства пакером позволяет осуществлять ГРП на повышенных рабочих давлениях, как минимум до 100 МПа (1000 атм).
При этом, работа на высоких давлениях при высоких объемах закачки жидкости ГРП, содержащей взвесь твердых частиц (проппант), приводит к ускоренному износу циркуляционных окон порта ГРП перфоратора.
Так, например, при изготовлении порта ГРП из стали группы прочности Е ГОСТ 632-80 (группы прочности N80 ГОСТ Р 53366, ИСО 11960, API 5CT) скорость износа стенки порта составляет около 0,1мм на 1 тонну прокачанного проппанта. Таким образом, например, при прокачке через порт жидкости ГРП, содержащей 200 тонн проппанта, радиус отверстия порта увеличивается соответственно на 20мм, диаметр - на 40мм. При наличии в конструкции порта ГРП двух и более циркуляционных отверстий, при наружном диаметре порта 102мм и начальном диаметре отверстий 33мм есть опасность разрезания корпуса перфоратора на две части при прокачке 200 тонн проппанта, что приведёт к аварии на скважине.
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства для ремонта нефтяных и/или газовых скважин более долговечного и надёжного по сравнению с прототипом.
Достигаемый полезной моделью технический результат заключается в увеличении срока службы устройства за счёт увеличения объёма возможной прокачки проппанта через циркуляционные отверстия порта ГРП при сохранении степени износа отверстий на безопасном в плане аварийности уровне.
Технический результат достигается за счёт выполнения циркуляционных отверстий порта ГРП с площадью поперечного сечения S, находящейся в диапазоне:
2
103,9 мм < S < Sтруб,
где Sтруб - площадь проходного сечения используемой при ГРП подвески труб (НКТ);
2
103,9 мм – площадь отверстия с эквивалентным диаметром 11,5мм.
2
Диапазон 103,9 мм < S < Sтруб выбран исходя из следующих соображений.
Верхняя граница диапазона Sтруб определяется площадью проходного сечения НКТ, поскольку увеличение проходного сечения циркуляционного отверстия более Sтруб не даёт какого-либо положительного эффекта, вместе с тем уменьшая полезную толщину металла вокруг отверстия порта ГРП, что при усиленном износе сокращает безопасный объём прокачиваемого проппанта.
Нижняя граница диапазона – отверстие с эквивалентным диаметром 11,5 мм, -  определена расчётным путём исходя из критичной величины сопротивления прокачке через порт жидкости ГРП.
Для успешного проведения ГРП необходимо выполнение условия:
ГРП
P + ΔP < 70 МПа,
ГРП
где P – давление разрыва пласта;
ΔP – местные потери давления при внезапном сужении;
70 МПа – максимально допустимое давление закачки, ограниченное давлением опрессовки трубопровода и оборудования.
Потери давления и напора связаны зависимостью:
ДP=Дhсg,
где с – плотность жидкости ГРП, g - ускорение свободного падения,
Дh - потери напора на местном сопротивлении, которые, в свою очередь, вычисляются по формуле:
,
где ж - коэффициент местного сопротивления для внезапного сужения в отверстии порта ГРП,
2
V – скорость жидкости в отверстии порта ГРП, определяемая по формуле:
,
где Q – расход жидкости при ГРП (темп закачки),
S – площадь сечения отверстия порта ГРП.
Коэффициент  ж  местного сопротивления для внезапного сужения в отверстии порта ГРП равен:
,
где Sтруб – площадь сечения трубопровода (НКТ),
S – площадь сечения отверстия порта ГРП.
Подставив приведенные выше формулы друг в друга и преобразовав их, получим квадратное уравнение с неизвестным  S:
При этом
,
труб
где d – проходной диаметр трубопровода (НКТ),
d – диаметр отверстия порта ГРП.
Таким образом, для определения минимальной площади сечения циркуляционного окна нам требуются следующие исходные данные:
ГРП
P - давление разрыва пласта,
Q – расход жидкости при ГРП (темп закачки),
с – плотность жидкости гидроразрыва со взвешенным в ней проппантом.
При этом для определения минимальной промышленно применимой площади сечения циркуляционного окна целесообразно ориентироваться на реальные скважинные условия, характеризующиеся наименьшим давлением разрыва пласта.
1
(1-2)
На практике такие скважинные условия существуют, например, на Самотлорском месторождении, проницаемость которого достаточно низка и составляет от 20 до 60мД (миллиДарси), при низких пластовых давлениях. На скважинах Самотлорского месторождения при проведении гидроразрыва пласта АВ специалисты сталкиваются со следующими средними значениями исходных показателей:
ГРП
P= 25 МПа,
3
3
Q = 2 м/мин = 0,0333 м/с,
3
с = 1400 кг/м .
Определим минимальный размер отверстия, гарантирующий успешное проведение гидроразрыва, используя эти исходные данные, учитывая также значения следующих показателей:
труб
d = 0,074 м – стандартный проходной диаметр трубопровода (НКТ),
2
g = 9,81 м/с  - ускорение свободного падения.
Для этого преобразуем неравенство
ГРП
P + ΔP < 70 МПа к виду:
ГРП
ΔP < 70 МПа - P
ГРП
Значение параметра  P подставим из исходных данных:
ΔP< 70 – 25
ΔP< 45 МПа
Преобразованное выше неравенство означает, что отверстие порта ГРП должно быть таким, чтобы потери давления при прохождении жидкости ГРП через него были менее 45 МПа. Для определения размера этого отверстия примем потери давления ΔP равными 35 МПа с запасом по давлению в 10 МПа, взятом на неучтённые факторы и на гарантию безаварийного проведения работ по ГРП.
Подставим все известные величины в уравнение с неизвестным S:
Единственный положительный корень квадратного уравнения равен:
-4
2
S = 1,039х10 м  = 103,9 мм2 - площадь сечения отверстия порта ГРП.
Из формулы
вычислим минимальный диаметр отверстия порта ГРП d:
d = 0,0115 м = 11,5мм
1
ГРП
(1-2)
Таким образом, приведённые расчёты подтверждают, что гидроразрыв пласта АВ Самотлорского месторождения с большой долей вероятности будет успешным при закачивании жидкости ГРП под давлением не менее P + ΔP = 25+35 = 60МПа  через отверстие порта ГРП диаметром не менее d = 11,5мм.
общ
При этом, при наличии нескольких циркуляционных отверстий порта ГРП, важно, чтобы совокупная площадь их сечений Sнаходилась в диапазоне:
2
общ
103,9 мм < S< Sтруб.
2
Конкретное значение площади S проходного сечения циркуляционного окна в пределах диапазона 103,9 мм < S < Sтруб, может определяться расчётным путём с учётом индивидуальных параметров проведения ГРП конкретных скважин, таких как давление разрыва пласта, расход жидкости при ГРП (темп закачки), плотность жидкости гидроразрыва со взвешенным в ней проппантом.
Соответственно, заявляемое устройство может использоваться как при осуществлении ГРП на повышенных давлениях с высокими показателями расхода проппанта, так и при низких темпах закачки проппанта при невысоком давлении начала образования трещины, что возможно при гидроразрыве пластов с низкой проницаемостью в совокупности с низким пластовым давлением.
Кроме того, возможно последовательное использование одного и того же устройства на разных скважинах с увеличивающимся давлением ГРП в зависимости от степени износа циркуляционных окон.
Предлагаемое устройство для ремонта нефтяных и/или газовых скважин по первому варианту содержит установленные на НКТ пакер и перфоратор, в верхней части корпуса перфоратора выполнено, по меньшей мере, одно циркуляционное окно для закачки в скважину рабочей жидкости (в частности, жидкости ГРП), а в нижней части – разрушающие элементы для проведения перфорации, перфоратор снабжен механизмом разобщения циркуляционных окон и разрушающих элементов. Согласно изобретению, площадь S проходного сечения циркуляционного окна имеет значение, находящееся в диапазоне:
2
103,9 мм  < S < Sтруб,
где Sтруб - площадь проходного сечения используемой при ГРП подвески труб (НКТ).
Механизм разобщения циркуляционных окон и разрушающих элементов перфоратора может быть выполнен в виде втулки, содержащей сквозное отверстие, перекрываемое сбрасываемым элементом (шаром).
Механизм разобщения циркуляционных окон и разрушающих элементов перфоратора, выполненный в виде втулки, содержащей сквозное отверстие, перекрываемое сбрасываемым элементом (шаром), может быть  установлен в верхней части корпуса перфоратора с возможностью осевого перемещения и перекрытия и открытия циркуляционных окон. В этом случае втулка служит также для перекрытия и открытия циркуляционных окон.
Предлагаемое устройство для ремонта нефтяных и/или газовых скважин по второму варианту исполнения содержит установленные на НКТ пакер и перфоратор. Согласно изобретению, устройство дополнительно содержит патрубок, смонтированный на НКТ над перфоратором, а также механизм разобщения указанного патрубка и перфоратора, при этом в патрубке выполнено с возможностью перекрытия и открытия по меньшей мере одно циркуляционное окно для закачки в скважину рабочей жидкости, а площадь S проходного сечения циркуляционного окна имеет значение, находящееся в диапазоне:
2
103,9 мм  < S < Sтруб,
где Sтруб - площадь проходного сечения используемой при ГРП подвески труб (НКТ).
Механизм разобщения патрубка и перфоратора может быть выполнен в виде втулки, содержащей сквозное отверстие, перекрываемое сбрасываемым элементом (шаром).
Механизм разобщения патрубка и перфоратора, выполненный в виде втулки, содержащей сквозное отверстие, перекрываемое сбрасываемым элементом (шаром), может быть установлен в патрубке с возможностью осевого перемещения и перекрытия и открытия циркуляционных окон. В этом случае втулка служит также для перекрытия и открытия циркуляционных окон.
Конструкция устройства по второму варианту исполнения изобретения дополнительно позволяет за счет исполнения циркуляционных окон вне перфоратора уменьшить износ верхней части перфоратора и повысить срок службы этого узла устройства. При вынесении циркуляционных окон в специальный патрубок, при работе на высоких давлениях изнашивается только патрубок, который может быть легко заменён новым без необходимости замены перфоратора. Таким образом, во втором варианте исполнения изобретения достигается дополнительный технический результат, который заключается в упрощении конструкции устройства с точки зрения его изготовления, повышении его ремонтопригодности и увеличении срока службы узла устройства - перфоратора.
Особенности предлагаемой группы изобретений иллюстрируются на фигурах 1 – 8.
Фиг. 1 демонстрирует фотографии износа циркуляционного отверстия порта ГРП в результате эксплуатации на высоких давлениях: вид А – циркуляционное отверстие нового порта ГРП, вид В – циркуляционное отверстие порта ГРП, бывшего в употреблении, после прокачки 100 тонн проппанта.
Фиг. 2 демонстрирует схему износа циркуляционного отверстия порта ГРП в результате эксплуатации.
На фиг. 3-8 представлено предлагаемое устройство:
фиг. 3 – общий вид устройства по первому варианту исполнения изобретения, спущенного в скважину,
фиг. 4 – вид устройства по первому варианту исполнения изобретения в разрезе во время проведения перфорации,
фиг. 5 – вид устройства по первому варианту исполнения изобретения в разрезе во время проведения ГРП,
фиг. 6 – общий вид устройства по второму варианту исполнения изобретения, спущенного в скважину,
фиг. 7 – вид устройства по второму варианту исполнения изобретения в разрезе во время проведения перфорации,
фиг. 8 – вид устройства по второму варианту исполнения изобретения в разрезе во время проведения ГРП.
Устройство для ремонта нефтяных и/или газовых скважин по первому варианту исполнения изобретения содержит установленные на НКТ 1 пакер 2, снабженный механизмом крепления в эксплуатационной колонне и эластичными элементами, и гидромеханический перфоратор 3 с разрушающими элементами 4, в верхней части корпуса 5 перфоратора 3 выполнено по меньшей мере одно циркуляционное окно 6 для закачки в скважину рабочей жидкости (в частности, жидкости ГРП). Перфоратор 3 снабжен механизмом 7 разобщения циркуляционных окон 6 и разрушающих элементов 4, а общая площадь S проходного сечения циркуляционных окон 6 находится в диапазоне:
2
103,9 мм  < S < Sтруб,
где Sтруб - площадь проходного сечения используемой при ГРП подвески труб 1 (НКТ).
Механизм 7 для разобщения разобщения циркуляционных окон 6 и разрушающих элементов 4 перфоратора 3 выполнен в виде втулки 8, установленной в верхней части перфоратора 3 с возможностью осевого перемещения, а также перекрытия и открытия циркуляционных окон 6. Втулка 8 содержит сквозное отверстие 9, перекрываемое сбрасываемым элементом 10 (шаром).
Устройство для ремонта нефтяных и/или газовых скважин по второму варианту исполнения изобретения содержит установленные на НКТ 1 пакер 2, снабженный механизмом крепления в эксплуатационной колонне и эластичными элементами, и гидромеханический перфоратор 3 с разрушающими элементами 4. Согласно изобретению, устройство дополнительно содержит патрубок 11, смонтированный на НКТ 1 над перфоратором 3, а также механизм 7 разобщения патрубка 11 и перфоратора 3, при этом в патрубке 11 выполнены с возможностью перекрытия и открытия циркуляционные окна 6 для закачки в скважину рабочей жидкости. Общая площадь S проходного сечения циркуляционных окон 6 находится в диапазоне:
2
103,9 мм  < S < Sтруб,
где Sтруб - площадь проходного сечения используемой при ГРП подвески труб 1 (НКТ).
Механизм 7 для разобщения патрубка 11 и перфоратора 3 выполнен в виде втулки 8, установленной в патрубке 11 с возможностью осевого перемещения, а также перекрытия и открытия циркуляционных окон 6. Втулка 8 содержит сквозное отверстие 9, перекрываемое сбрасываемым элементом 10 (шаром).
Устройство работает следующим образом.
Устройство в сборе спускают в скважину на глубину, соответствующую продуктивному пласту, устанавливая перфоратор в той части продуктивного пласта, которая подлежит перфорации. Далее подают рабочую жидкость через НКТ 1 на перфоратор 3, производя перфорацию. При необходимости производят перфорацию и формирование каверн на нескольких уровнях продуктивного пласта и/или на уровнях нескольких близко лежащих продуктивных пластов.
Далее перемещают устройство и с помощью механизма крепления в эксплуатационной колонне устанавливают пакер 2 над продуктивным пластом, вблизи его верхней границы. Эластичные элементы пакера 2 надёжно герметизируют подпакерное пространство, создавая возможность для нагнетания необходимого давления. После этого за счет свободного падения внешнего элемента 10 на седло втулки 8 перекрывают сквозное отверстие 9 втулки 8, прекращая доступ рабочей жидкости на разрушающие элементы 4 перфоратора 3 и нагнетают давление в НКТ 1. Под действием давления втулка 8 перемещается  вдоль патрубка 11, при этом открываются циркуляционные окна 6 (как показано на фигурах 5, 8). Далее с поверхности подают жидкость ГРП и нагнетают рабочее давление, в соответствии со скважинными условиями. Через открытые циркуляционные окна 6 жидкость ГРП поступает в скважину и продавливается в пласт. По достижении давления разрыва пласта образовавшиеся в нем трещины заполняются жидкостью ГРП, содержащей взвесь твердых частиц (проппант).
После прекращения нагнетания давления в НКТ 1 пакер 2 переводится в транспортное положение, разобщенные ранее надпакерное и подпакерное пространства совмещаются и устройство извлекается из скважины.