СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ МНОГОСТАДИЙНОГО ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА
METHOD AND DEVICE FOR CARRYING OUT MULTI-STAGE HYDRAULIC FRACTURING OF FORMATION

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может найти применение при разработке коллекторов нефти и\или газа горизонтальными скважинами с проведением многостадийного гидравлического разрыва пласта как в карбонатных, так и в терригенных коллекторах.
Из уровня техники способ проведения многостадийного гидроразрыва пласта (ГРП). Конкретная реализация способов многостадийного гидроразрыва связана с системой заканчивания, применяемой в том или ином случае (патент US 5894888 А, опубл. 20.04.1999, основывающийся на патенте US 5074359 А, опубл. 24.12.1999).
В нефте- и газодобывающей промышленности широко применяются системы заканчивания для проведения многостадийного разрыва пласта с портами ГРП, активируемыми шарами (например, системы компании Packers Plus Energy Services Inc., патент US 6907936 B2, опубл. 10.07.2003).
Недостатками известных технических решений являются:
1) наличие сужений в определенных элементах порта, ограничивающее проходной диаметр хвостовика и препятствующее потоку флюида.
2) как следствие п. 1 необходимость нормализации хвостовика фрезерованием элементов портов для проведения дальнейших внутрискважинных работ.
3) невозможность закрытия портов в некоторых модификациях систем, и высокая технологическая сложность операций по закрытию в прочих.
4) ограниченное количество стадий ГРП, которые системы позволяют проводить.
5) сложность (а для многих модификаций невозможность) применения цементируемого хвостовика.
Также широко применяются системы со скользящими (сдвижными) муфтами (например, заявка US 20060207763 А1 компании Peak Completion Technologies Inc.), активируемые при помощи специального инструмента, спускаемого на гибких насосно-компрессорных трубах. И те, и другие системы имеют множество различных модификаций.
Недостатками известных технических решений является то, что системы со скользящими муфтами имеют равнопроходной с трубой хвостовика внутренний диаметр, позволяют в любой последовательности многократно открывать\закрывать муфты, могут применяться с цементируемыми хвостовиками и теоретически не ограничены по числу стадий, но при этом требуют использование гибкой насосно-компрессорной трубы во время всех операций. Это существенно увеличивает стоимость стимуляции скважин. Также следует отметить, что для применения гибких насосно-компрессорных труб (ГНКТ) требуется целый ряд машин и устройств, который называется флотом ГНКТ, и число этих флотов весьма ограниченно, что существенно снижает возможности массового использования таких компоновок.
Системы многостадийного гидроразрыва пласта (МГРП), применяемые на территории Российской Федерации, на данный момент устанавливаются в составе колонны-хвостовика, которая в свою очередь подвешивается в эксплуатационной колонне. Как правило, такие хвостовики нецементируемые, разделение стадий ГРП по затрубу производится посредством гидромеханических пакеров.
При проведении МГРП с системой, активируемой шарами, первый, самый близкий к забою скважины, порт активируется гидравлически, набором давления внутри хвостовика. После ее активации проводят стадию ГРП, во время продавки которой в скважину сбрасывается шар, соответствующий по диаметру седлу второго от забоя порта.
Компоновки, активируемые шарами широко применяются на территории Российской Федерации. Эти компоновки отличаются своей конструктивной и эксплуатационной простотой, однако они обладают существенными недостатками, описанными выше.
Применение компоновок со сдвижными муфтами расширяется год от года, но оно ограничено, во-первых, чрезвычайно высокой суммарной ценой операции по стимуляции, и, во-вторых, количеством доступных флотов ГНКТ, подходящих для проведения таких работ. Как правило, для успешного оперирования муфтами требуется труба достаточно большого диаметра (для обеспечения необходимой жесткости и передачи веса на инструмент), от 2 дюймов. Число установок ГНКТ, подходящих для работы с трубой такого диаметра, как и самих труб, очень невелико.
Задачей заявленной группы изобретений является снижение затрат и ускорение операций по проведению многостадийного гидроразрыва пласта в цементируемых и нецементируемых хвостовиках, а также возможность проводить неограниченное количество стадий. Дополнительной задачей является заявленной группы изобретений является снижение суммарной стоимости операции по стимуляции притока из скважины за счет исключения из работы применения гибких насосно-компрессорных труб на всех этапах, с сохранением равнопроходного диаметра хвостовика.
Техническим результатом заявленной группы изобретений является обеспечение повышения коэффициента извлечения посредством увеличения площади контакта скважины с пластом-коллектором, а также ускорения и удешевления проведения операций по сравнению с существующими системами. Также изобретение позволяет проводить повторные ГРП и закрывать муфты, дающие приток нецелевого флюида (например, воды). Заявленная группа изобретений позволяет проводить операции по МГРП без привлечения флота ГНКТ и при этом избегать всех недостатков применения портов, активируемых шарами.
Поставленная задача достигается за счет заявленного способа для проведения многостадийного гидроразрыва пласта, включающего предварительные работы по бурению горизонтальной скважины, спуску и креплению в ней колонны-хвостовика, оборудованной устройствами для проведения многостадийного гидроразрыва; последовательную активацию устройств с проведением стадии гидроразрыва после активации каждого из устройств, при этом активация проводится посредством сброса в скважину седла с шаром и продавки их до соответствующего устройства в фазе продавки проппанта при гидроразрыве предыдущей стадии.
Поставленная задача достигается за счет заявленного устройства для проведения многостадийного гидроразрыва пласта, включающего муфту для проведения ГРП, седло для открытия муфты и шар для перекрытия сечения седла, при этом муфта имеет герметичную втулку, находящуюся в одном из двух положений, «открыто» и «закрыто», в положении «закрыто» - сообщение между трубным и затрубным пространством отсутствует, а в положении «открыто» - муфта обеспечивает сообщение трубного и затрубного пространства, причем втулка муфты имеет профиль для зацепления ее с соответствующим седлом, имеющим ответный профиль при его продавке по стволу скважины, при зацеплении седла с установленным шаром и втулки, канал для течения жидкости в скважине герметично перекрывается и муфта может быть активирована из положения «закрыто» в положение «открыто» повышением давления в трубном пространстве.
Муфта для проведения ГРП представляет собой равнопроходную скользящую муфту.
Сущность заявленной группы изобретений поясняется фигурами, где: Фиг. 1 - схема муфты ГРП в закрытом состоянии;
Фиг. 2 - муфта ГРП с установленной в ней пробкой-активатором;
Фиг. 3 - муфта ГРП после открытия пробкой-активатором;
Фиг. 4 - обеспечение селективности пробки-активатора к муфте.
На фигурах приняты следующие обозначения:
1 - втулка муфты с профилем под собачки;
2 - корпус муфты, с присоединительными резьбами и с окнами;
3 - пробка-активатор (седло с шаром);
4 - пробка-активатор, профиль собачек которой не является ответным к профилю данной муфты.
Втулка 1 может быть перемещена в положение «открыто» одним из 2 способов - или при помощи, сбрасываемой в скважину пробки-активатора, или при помощи гидравлически активируемого ключа, спускаемого на ГНКТ/НКТ.
На фиг. 2 показана схема муфты ГРП в закрытом состоянии вместе со сцепившейся с ней пробкой-активатором. Профиль собачек пробки-активатора является ответным к профилю втулки 1, поэтому собачки выщелкиваются из пробки при ее прохождении через втулку и пробка сцепляется с втулкой.
На фиг. 3 представлена схема муфты после открытия пробкой активатором. Втулка муфты перемещается в положение «открыто» под действием давления, нагнетаемого в трубном пространстве после герметичного перекрытия ее проходного сечения пробкой-активатором.
На фиг. 4 представлен механизм обеспечения селективности пробки-активатора к муфте. Поскольку собачки пробки 4 не могут войти в профиль втулки 1, то пробка не сцепляется с муфтой, а проходит дальше по колонне, и так вплоть до муфты, чей профиль соответствует профилю собачек пробки.
Колонна-хвостовик или иная обсадная колонна, содержащая в своем составе теоретически неограниченное количество муфт ГРП, спускается в скважину и, в соответствии с общепринятыми в промышленности практики крепится. Колонна может быть закреплена цементированием как полностью, так и частично, а также просто установлена в открытом стволе без цементирования. В случае установки в открытом стволе для изоляции зон ГРП по затрубному пространству необходимо использование пакеров.
После ожидания схватывания цемента (в случае цементирования) или активации пакеров, в скважине может быть установлена НКТ для проведения ГРП, которая может быть укомплектована герметизирующим узлом «стингером».
Первая в последовательности муфта ГРП является гидравлически активируемой, то есть открывается при росте давления внутри колонны свыше определенного значения. После открытия этой муфты производится закачка первой стадии.
Для активации муфт, расположенных выше гидравлической, применяется пробка-активатор (седло с шаром). При сбрасывании активатора в скважину на стадии продавки ГРП и прохождении активатора по трубе вместе с потоком, собачки находятся в сложенном состоянии и скользят по стенкам трубы. При прохождении муфты с профилем, не совпадающим с профилем собачек, они остаются в сложенном состоянии. Как только активатор доходит до муфты, ответный профиль которой совпадает с профилем собачек пробки-активатора, собачки получают возможность защелкнуться на втулке муфты. При сцеплении с муфтой уплотняющий элемент активатора расширяется и полностью перекрывает проходное сечение втулки. При наборе давления в трубном пространстве, на пару активатор-муфта начинает действовать осевая сила, сдвигающая втулку из положения «открыта» в положение «закрыта». Открытие муфты позволяет закачать следующую стадию ГРП и во время ее продавки сбросить следующую пробку-активатор для следующей муфты. Процесс повторяется для всех следующих стадий ГРП.
Вторым возможным способом открытия муфты является применение ключа, спускаемого на гибкой насосно-компрессорной трубе и активируемого перепадом давления, возникающем при прокачке жидкости через ГНКТ. Ключ сцепляется со втулкой любой муфты (в данном случае селективность обеспечивается за счет активации ключа на глубине, соответствующей целевой муфте) при его перемещении в осевом направлении. Дальнейшее перемещение ключа вниз без остановки прокачки жидкости по стволу скважины открывает муфту. При перемещении ключа вверх открытая муфта закрывается. Расцепление ключа с муфтой происходит автоматически при достижении втулки крайнего положения.
Открытие муфты происходит при сдвижении втулки из положения «закрыто» в положение «открыто». Активация может быть проведена двумя способами:
1) сбросом пробки-активатора;
2) ключом, спускаемым на ГНКТ (аварийный вариант).
Пробка-активатор представляет из себя механизм, оснащенный собачками, подпружиненными при помощи элемента из специальной резины. Каждый активатор имеет свой профиль на собачках, а втулка муфты - ответный профиль. Селективность активатора к муфтам обеспечивается различными парами конфигураций профилей собачка-муфта, подобранной так, что к каждой муфте, спущенной в скважину, подходит только один активатор. Проходное сечение активатора перекрыто шаром. Все элементы пробки-активатора выполнены из растворимых в скважинной среде материалов (сплавов и резины).
Седло и шар сделаны из специального сплава, разлагающегося при контакте со скважинными флюидами или техническими жидкостями. После проведения операций ГРП и окончания процесса разложения проходное сечение муфты становится равнопроходным с хвостовиком. Также муфта имеет возможность открытия\закрытия специальным ключом, спускаемым на насосно-компрессорных или гибких насосно-компрессорных трубах. Муфта устойчива к цементу и может применяться в цементируемых хвостовиках.