УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗОБЩЕНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ СТВОЛА СКВАЖИНЫ
DEVICE FOR SEPARATION OF INDIVIDUAL SECTIONS OF WELL SHAFT

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано при разработке месторождений природных битумов, тяжелых и высоковязких нефтей, а также для комплексного освоения нефтеносных сланцевых плеев.
Конкретно предложен высокотемпературный скважинный пакер для тепловых методов увеличения нефтеотдачи (МУН).
По данным World Energy Council, геологические запасы природных битумов, тяжелых и высоковязких нефтей в России суммарно составляют 55 млрд. тонн, а их месторождения в России сосредоточены, главным образом, в Волго-Уральской (Татарстан, Удмуртия, Башкортостан, Самарская область и Пермский край), Восточно-Сибирской (Тунгусский бассейн) и Тимано-Печорской нефтегазоносных провинциях. Современная концепция внутрипластового ретортинга, предполагающая внутрипластовую конверсию тяжелых углеводородов в их более легкие формы, требует использования высокотемпературного теплового воздействия на продуктивные пласты, при котором температура рабочего агента, преимущественно в форме перегретого пара, может достигать 500°С.
Но наиболее значительные запасы углеводородов России все же сосредоточены в Баженовской свите, причем большая их часть сосредоточена в керогене, - около 383,1 млрд тонн. Содержание же нефти низкопроницаемых пород в продуктивных пластах Баженовской свиты не превышает 22 млрд тонн. По мнению экспертов отрасли, освоение Баженовской свиты, основанное только на извлечении нефти низкопроницаемых пород, и без вовлечения в активную разработку керогена - малоперспективно и убыточно. В свою очередь, вовлечение в активную разработку керогена также предполагает использование высокотемпературных тепловых МУН для его внутрипластовой пиролизации. При этом в продуктивный пласт должен инжектироваться рабочий агент в форме воды, находящейся в сверхкритическом состоянии (СК-вода), и имеющий следующие термобарические характеристики: давление до 45 МПа и температура до 500°С.
Технологическая схема высокотемпературного теплового воздействия на продуктивные пласты, содержащие природные битумы, тяжелые и высоковязкие нефти, а также кероген, предусматривает использование термостойкого пакера. Но таких термостойких пакеров, способных работать при температуре до 500°С, нет ни в России, ни за рубежом. Необходимость же работы термостойкого пакера в присутствии высоких давлений (до 45 МПа) еще более усугубляет названную проблему.
Так, например, известен термостойкий пакер "ArrowTherm Mechanical-Set Thermal Packer" компании Weatherford, который может эксплуатироваться при давлении до 20,68 МПа и температуре до 288°С. В случае необходимости по специальному заказу компанией Weatherford может быть изготовлена более совершенная модификация этого же термостойкого пакера для эксплуатации при температуре до 343°C («Каталог пакеров», Weatherford, 2005-2010 гг., стр. 86).
Также известен термостойкий пакер "ХНР Premium Production Packer" компании Schlumberger, который способен работать при очень высоких давлениях - до 103 МПа, но не может эксплуатироваться при температуре выше 218°C («Каталог пакеров», Schlumberger, 2009 г., стр. 17).
Известны способ и устройство для разработки вязкой нефти по патенту РФ на изобретение №2548639, МПК E21B 33/128, опубл. 20.04.2015 г. (прототип).
Это устройство для разобщения полостей скважин (пакер) выполнено с радиальным расширением под действием осевого давления.
С целью повышения герметичности установки пакера в скважине пакер опорно-механический содержит ствол, телескопически соединенный посредством манжет с опорным ниппелем с возможностью их осевого перемещения между собой. Ствол оснащен кольцевым уплотнением, присоединительной муфтой, регулировочной гайкой с верхним нажимным кольцевым упором, установленной на муфте с возможностью регулирования положения кольцевого уплотнения на стволе между упорами на регулировочной гайке и на втулке, соединенной с опорным ниппелем. Во втулке выполнена ступенчатая поверхность, упирающаяся уступом ступени в буртик на стволе. На буртике выполнена канавка, взаимодействующая со срезными штифтами, установленными во втулке. На стволе выполнены треугольные насечки, взаимодействующие с цангой, внутри которой выполнены ответные треугольные насечки и наружный конус. Цанга расположена в полости втулки с упором в торец опорного ниппеля и удерживается от осевых перемещений стопорным кольцом с внутренним конусом, взаимодействующим с наружным конусом цанги для фиксации кольцевого уплотнения в сжатом состоянии, с возможностью перемещения вдоль ствола на длину, большую величине сжатия кольцевого уплотнения с радиальным расширением до герметичного разобщения полости скважины. Стопорное кольцо выполнено с канавкой под дополнительные срезные штифты, установленные во втулке.
Недостаток известного изобретения заключается в невозможности работы устройства при высоких давлениях (до 45 МПа) и температурах (до 500°С).
Задачей заявленного изобретения, совпадающей с техническим результатом, является обеспечение возможности эффективной работы заявленного устройства при высоких рабочих давлениях (до 45 МПа) и температурах (до 600°С).
Решение указанных задач достигнуто в устройстве для разобщения отдельных участков ствола скважины, содержащем трубы НКТ, уплотнительный элемент цилиндрической формы, установленный концентрично трубе НКТ между нею и обсадной трубой, отличающееся тем, что уплотнительный элемент выполнен из кольцевых уплотнительных элементов, между которыми установлены прижимные кольца из материала «с памятью формы», кольцевые уплотнительные элементы изготовлены из базальтового волокна, имеющего диаметр от 0,5 до 3,5 мкм, базальтовое волокно насыщено частицами металла, при этом в качестве металла для насыщения применена алюминиевая пудра, на конце нижней трубы НКТ установлено опорное сопло-муфта, выполненное из карбида вольфрама, а кольцевые уплотнительные элементы установлены по обе стороны от упорного кольца.
Кольцевые уплотнительные элементы могут быть изготовлены из материала, работоспособного при температуре более 600°С. Нижняя труба НКТ может быть выполнена из титана. Прижимные кольца могут содержать кольцевое основание и лепестки, между которыми выполнены прорези. В устройстве для разобщения отдельных участков ствола скважины могут быть применены две группы прижимных колец: верхние, расположенные выше упорного кольца, и нижние, расположенные ниже упорного кольца, которые в рабочем положении образуют зеркально симметричные конусы.
На трубы НКТ может быть нанесено теплоизоляционное покрытие.
Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1…5,
где на фиг. 1 приведен вид заявленного устройства;
- на фиг. 2 приведено устройство в рабочем положении,
- на фиг. 3 приведен прижимной элемент,
- на фиг. 4 приведен вид А,
на фиг. 5 приведено устройство с теплоизолированными трубами НКТ.
Заявленное устройство (фиг. 1…5) содержит сверху вниз: трубы НКТ 1 (насосно-компрессорные трубы), соединительные муфты 2, нижнюю трубу НКТ 3, с полостью 4 внутри нее. Трубы НКТ 1 и нижняя труба НКТ 3 установлены внутри обсадной колонны 5.
Нижняя труба НКТ 3 изготовлена из титана, а трубы НКТ 1 из стали.
На нижней трубе НКТ 3 установлен уплотнительный элемент 6, он, установленный концентрично нижней трубе НКТ 3, и разделяет полость внутри обсадной колонны 5 на две: верхнюю 7 и нижнюю 8. Уплотнительный элемент 6 содержит жестко закрепленное на нижней трубе НКТ опорное кольцо 9 и кольцевые уплотнительные элементы 10, установленные над ним и под ним. Кольцевые уплотнительные элементы 10 поджаты прижимными кольцами: верхними 11 и нижними 12, выполненными из материала с памятью формы и способными менять цилиндрическую форму на коническую при повышении температуры.
Кольцевые уплотнительные элементы 4 предпочтительно для обеспечения работоспособности устройства при высоких температурах (до 700 °С) изготовить из супертонкого базальтового волокна, имеющего диаметр от 0,5 до 3,5 мкм. Базальтовое волокно может быть насыщено частицами металла. В качестве метала для насыщения может быть применена алюминиевая пудра.
На нижней трубе НКТ 3 установлено сопло-муфта 13 с выходным отверстием 14. На обсадной колонне 5 в нижней части выполнена перфорация 15.
Возможная форма прижимных колец 11 и 12 приведена на фиг. 3 и 4. Прижимное кольцо 11 содержит кольцевое основание 17 и лепестки 18, между которыми выполнены прорези 19. Возможно применение двух групп прижимных колец: верхних 11, расположенных выше упорного кольца 9, и нижних 12, расположенных ниже упорного кольца 9, которые в рабочем положении образую зеркально симметричные конусы..
На фиг. 3 приведено верхнее прижимное кольцо 11, в рабочем положении конус обращен вершиной вверх. Нижнее прижимное кольцо 12 выполнено аналогично, но конус обращен вершиной вниз, т.е зеркально симметрично. Такая конструкция в два раза более эффективно по созданию прижимного осевого усилия, которое в конечном итоге трансформируется в радиальное расширение кольцевых уплотнительных элементов 10 и делает уплотнение более эффективным.
Уплотнительный элемент 6 размещен внутри обсадной трубы 6 и образует полости 7 и 8 между осадной колонной 5 и нижней трубой НКТ 3. Полости 7 и 8 при работе должны быть разобщены. В нижней части обсадной колонны 5 выполнена перфорация 15.
Далее (ниже) на конце нижней трубы НКТ 3 установлено сопло-муфта 13, выходное отверстие 17 которой сообщает полость 11 внутри нижней трубы НКТ 3 с продуктивным пластом 16 и предназначено для подачи горячего агента π продуктивный пласт 16 для интенсификации добычи трудноизвлекаемой нефти.
На трубах НКТ 1 может быть нанесено теплоизоляционное покрытие 20 (фиг. 5). На нижней трубе НКТ 3 теплоизоляционное покрытие 20 не нанесено.
РАБОТА УСТРОЙСТВА
Работает заявленное устройство следующим образом (фиг. 1…5).
Бурят скважину нагнетательную для закачки горячего агента в продуктивный пласт 16 и устанавливают в нее обсадную колонну 5, собирают компоновку согласно фиг. 1.
Подают горячий рабочий агент по трубам НКТ 1 и через выходное отверстие 14 сопла-муфты 13 в продуктивный пласт 16. Рабочий агент частично попадает в полость 8. Материал кольцевых уплотнительных элементов 10, выполненный из супертонкого базальтового волокна, имеющего диаметр от 0,5 до 3,5 мкм, насыщенного алюминиевой пудрой, значительно увеличивается в объеме и спрессовывает верхний участок 5 в осевом направлении, при этом он (верхний участок 5) расширяется в радиальном направлении и перекрывает зазор между обсадной трубой 9 и нижней трубой НКТ 3.
Кроме того, прижимные пластины 11 и 12 принимают форму конусом и дополнительно создают осевое прижимное усилие. В результате полости 7 и 8 разобщается уплотнительным элементом 6.
Извлечение заявленного устройства из скважины осуществляют после прекращения подачи горячего агента. Прижимные кольца 11 и 12 принимают форму цилиндров, сжатие кольцевых уплотнительных элементов уменьшается. Кроме того, при охлаждении объем кольцевых уплотнительных элементов 10 уменьшается. Потом осуществляют подъема труб НКΤ 1 вверх. При этом уплотнительный элемент 6 разжимается.
Одной из основных отличительных функциональных особенностей заявленного изобретения является то, что заявленное устройство является саморегулируемым устройством. Это выражается в том, что, чем выше давление рабочего агента на забое скважины, - в подпакерной зоне, тем более плотным и менее проницаемым становится уплотнительный элемент 6 и тем плотнее фрикционная поверхность уплотнительного элемента 6 прижимается к внутренней поверхности обсадной трубы 5.
Нижняя часть 6 уплотнительного элемента 4 выполнена из предварительно спрессованного супертонкого базальтового волокна, имеющего средний диаметр 0,002 мм (или в диапазоне от 0,5 до 3 мкм). Именно диаметр волокна в основе определяет проницаемость уплотнительного элемента. Чем он меньше, тем эффективность уплотнительного элемента выше. Так, например, если диаметр какого-либо используемого волокна относительно большой, например, 0,1 мм, то изготовленный из такого материала уплотнительный элемент будет обладать высокой проницаемостью, сопоставимой с проницаемостью мелкозернистого песчаника, имеющего размер зерен от 0,1 до 0,25 мм. Используемое сверхтонкое базальтовое волокно имеет малый диаметр и изготовленный из него и окончательно спрессованный в скважине под действием давления рабочего агента уплотнительный элемент обладает сверхнизкой проницаемостью, сопоставимой с проницаемостью тонкозернистых известково-доломитовых пород, имеющей размер зерен от 001 до 0,01 мм. Менее проницаемой для флюидов может быть только колоидозернистая известково-доломитовая порода, имеющая размер зерен менее 0,001 мм.
Уплотнительный элемент в процессе его изготовления и до начала его предварительного спрессовывания насыщается частицами различных металлов, таких как: алюминий, цинк, цирконий, вольфрам и т.д. В предпочтительном варианте изобретения используется алюминиевая пудра ПАП-2, имеющая средний линейный размер частиц от 0,02 до 0,03 мм. При подаче высокотемпературного рабочего агента на забой скважины уплотнительный элемент нагревается и за счет теплового расширения сверхтонкого базальтового волокна и частиц алюминия плотность его увеличивается, а проницаемость, напротив, еще более уменьшается. Степень прижатия уплотнительного элемента к внутренней поверхности обсадной трубы также возрастает. В этом процессе более значимую роль играют частицы алюминия, так как коэффициент температурного расширения (КТР) алюминия (КТР=0,000024 м/(м·°С)) в 3,69 раза выше коэффициента температурного расширения базальта (КТР=0,0000065 м/(м·°С)). Примечание: Размерность КТР, -м (м·°С) или 1/°С - показывает на сколько (в метрах) удлинится материал при увеличении его температуры на 1 градус °С. Так же следует отметить и то, что супертонкое базальтовое волокно начинает спекаться только при температуре, превышающей 1100°С. В результате, названного выше процесса теплового воздействия на уплотнительный элемент, его проницаемость на микроуровне заметно снижается.
При установке заявленного устройства на забое скважины и после подачи на забой скважины высокотемпературного рабочего агента высокого давления, представляющего собой воду, находящуюся в сверхкритическом состоянии, инициируется химическая реакция окисления некоторой части частиц алюминия в сверхкритической воде. В процессе реакции из некоторой части частиц алюминия, имеющих размер от 0,02 до 0,03 мм, синтезируются наночастицы оксида алюминия, которые имеют размер от 0,00002 до 0,0004 мм (от 20 до 400 нм). Результатом, названного выше химического процесса синтеза наночастиц алюминия в СК-воде, является уменьшение проницаемости уплотнительного элемента на наноуровне.
Таким образом, максимально возможная низкая проницаемость уплотнительного элемента достигается за счет осуществления следующих трех основных процессов:
- предварительного механического сжатия уплотнительного элемента в процессе его изготовления и окончательного его сжатия на забое скважины под действием давления рабочего агента;
- теплового расширения супертонкого базальтового волокна и частиц металлов, которыми насыщен уплотнительный элемент; и
- синтеза наноразмерных частиц оксидов металлов из некоторой части частиц металлов, которыми насыщен уплотнительный элемент.
Для обеспечения еще более плотного прижатия уплотнительного элемента к стенкам скважины, прижимные элементы, создающие осевое усилие на кольцевые уплотнительные элементы, выполнены из материала «С памятью формы» в рабочем положении (при нагреве принимающие форму конуса), что при сжатии кольцевых уплотнительных элементов создает дополнительный эффект расклинивания. В силу значительных силовых нагрузок в присутствии высоких температур часть элементов заявленного устройства, в предпочтительном варианте выполнены из титана. Результатом использования заявленного устройства является надежное разобщение отдельных участков ствола скважины в процессе использования тепловых МУН при давлении до 70 МПа и температуре до 600°С.
Несмотря на то что настоящее изобретение описывается на представленном примере, возможны различные модификации, не противоречащие основным принципам изобретения. Поэтому настоящее изобретение следует рассматривать как относящееся к любым подобным модификациям в пределах существа изобретения.