МУФТА ДЛЯ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТОВ В СКВАЖИНЕ
COUPLING FOR HYDRAULIC FACING IN A WELL

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно, к устройствам, входящим в компоновку обсадных колонн и предназначенным для проведения работ по гидроразрыву нефтеносного пласта.
Известна «Муфта гидроразрыва пласта» (ПМ №176774; МПК Е21В 34/10, Е21В 43/26, F16K 17/14, опубл. 29.01.2018, Бюл. №4), содержащая
полый цилиндрический корпус с установленными в нем портами гидроразрыва пласта, выполненными в виде радиальных окон, равномерно расположенных по окружности,
в которых установлены заглушки с разрывными мембранами и крышки, блокирующие доступ жидкости извне корпуса к разрывным мембранам,
полости между разрывными мембранами и крышками, заполненные жидкостью,
при этом крышки установлены в отверстиях заглушек с возможностью радиальных перемещений.
Недостатком известной муфты гидроразрыва пласта (далее - ГРП) является низкая надежность работы, поскольку заполнение жидкостью полости между разрывными мембранами и крышками, а также возможность радиального перемещения крышек от наружной стенки к внутренней стенке корпуса может привести к тому, что при значительном возрастании давления извне корпуса в процессе цементирования оно через подвижную крышку будет передаваться на жидкость и на мембрану, что может привести к разрыву последней и неработоспособности известной муфты, поскольку цементный раствор, проникнув в ее полость, после затвердевания будет препятствовать нагнетанию жидкости в процессе операции гидроразрыва.
Кроме того, известная муфта обладает недостаточной эффективностью работы ввиду возможности неодновременого разрушения разрывных мембран в портах ГРП, что может быть связано с отклонением толщины мембран от расчетной величины в пределах допуска изготовления. Это обстоятельство может привести к тому, что прорыв жидкости ГРП через первоначально разрушенную мембрану в прискважинную зону вокруг муфты приведет к равенству давлений внутри и снаружи муфты и не позволит произвести последующий разрыв оставшихся мембран ввиду отсутствия перепада давления на них. Это приведет к тому, что часть портов ГРП будет не работоспобна, так как истечения жидкости через них происходить не будет. Тем самым будет снижена эффективность работы известной муфты, поскольку зона охвата прискважинного пространства операцией гидроразрыва будет уменьшена.
Отсутствие в известной муфте элементов перекрытия радиальных окон при необходимости, например, поступления воды, ограничивает ее эксплуатационные возможности.
Совокупность перечисленных недостатков известного устройства снижает надежность и эффективность его работы, а также ограничивает эксплуатационные возможности.
Известна «Муфта гидроразрыва пласта» (ПМ №197643; МПК Е21В 34/06, Е21В 43/26, Е21В 33/14, опубл. 19.05.2020, Бюл. №14), содержащая
1
1
• корпус в виде трубы ступенчатой формы, в верхней ступени которого выполнена расточка диаметром D, а в нижней ступени выполнена расточка диаметром D с выполненными в ней циркуляционными отверстиями, равномерно расположенными по окружности, при этом D>D,
1
дифференциальную втулку, выполненную в виде ступенчатой втулки и установленную с возможностью перемещения в расточках корпуса, при этом ее верхняя ступень расположена в расточке корпуса диаметром D, а ее нижняя ступень расположена в расточке корпуса диаметром D и в исходном положении дифференциальной втулки перекрывает циркуляционные отверстия корпуса,
при этом в средней части нижней ступени втулки выполнены радиальные отверстия, а в нижней части нижней ступени на наружной поверхности выполнена кольцевая проточка,
в которой установлен фиксатор, выполненный в виде разрезного упругого кольца с заданными усилиями смещения на открытие и закрытие циркуляционных отверстий,
кольцевые уступы, выполненные на внутренней поверхности в нижней ступени дифференциальной подвижной втулки и взаимодействующие с плашками ключа, спускаемого в полость корпуса для перемещения втулки вверх,
1
замкнутую полость между корпусом и дифференциальной подвижной втулкой для ее осевого перемещения вниз, образованную расточкой корпуса диаметром D и нижней ступенью втулки диаметром D, заполненную воздухом под атмосферным давлением,
кольцевую расточку, выполненную в нижней части корпуса и взаимодействующую с фиксатором в закрытом положении циркуляционных отверстий корпуса,
кольцевую расточку, выполненную в нижней части корпуса и взаимодействующую с фиксатором после осевого перемещения дифференциальной подвижной втулки вниз в открытом положении циркуляционных отверстий корпуса,
разрывную мембранную заглушку, установленную над полостью в верхней ступени дифференциальной подвижной втулки,
уплотнительные элементы, герметизирующие подвижные взаимодействия и неподвижные соединения деталей.
Недостатком известной муфты ГРП является низкая надежность работы, связанная с возможностью заклинивания дифференциальной втулки внутри корпуса и невозможностью ее осевого перемещения вниз. Это связано с тем, что на корпус после цементирования скважины будет воздействовать наружное давление, значительно превышающее гидростатическое. Поэтому в стенке корпуса будут возникать значительные радиальные деформации, симметричные относительно его продольной оси и уменьшающие его внутренний диаметр. В свою очередь дифференциальная подвижная втулка от воздействия внутриколонного давления будет деформироваться с увеличением ее наружного диаметра. Совокупность этих деформаций создаст значительный натяг в сопряжении внутренних поверхностей корпуса и наружных поверхностей дифференциальной втулки. В результате контактного давления в соединении возникнет сила трения, которая может превысить внешнее сдвигающее усилие на дифференциальную втулку от воздействия внутриколонного давления, что приведет к ее неподвижности и, как следствие, к неработоспособности известной муфты.
Кроме того, невозможность перемещения дифференциальной втулки вниз может быть также связана с тем, что ее перемещению будет препятствовать цементный камень, образовавшийся из остатков цементного раствора в кольцевой расточке, выполненной в нижней части корпуса для фиксации дифференциальной втулки в открытом положении циркуляционных отверстий.
Низкая надежность работы известной муфты может быть также связана с тем, что при ее смещении вниз уплотнительное кольцо, герметизирующее в исходном положении полость расточки корпуса, в которой расположен фиксатор, может быть выдавлено внутриколонным давлением под фиксатор из канавки, выполненной на дифференциальной втулке. Это объясняется тем, что полость расточки корпуса в исходном положении заполнена воздухом под атмосферным давлением, а кольцевая расточка, выполненная в нижней части корпуса и взаимодействующая с фиксатором после осевого перемещения, гидравлически сообщается с полостью муфты и заполнена жидкостью под давлением. Поэтому в конечной стадии перемещения дифференциальной втулки вниз при заходе ее нижнего торца в расточку корпуса диаметром это уплотнительное кольцо может быть разрушено кромкой расточки корпуса и, следовательно, полость кольцевой расточки корпуса под фиксатор будет негерметична в процессе последующей операции гидроразрыва, что не исключает возможности попадания твердой фазы бурового раствора и/или пропанта в полость кольцевой проточки, выполненной на дифференциальной втулке под фиксатор. Это обстоятельство не позволит фиксатору в виде разрезного упругого кольца в последующем сомкнуться в кольцевой проточке для рассоединения дифференциальной подвижной втулки с корпусом при воздействии ключа, спускаемого в полость корпуса для перемещения втулки вверх с целью закрытия циркуляционных отверстий.
Одновременно с этим поскольку из-за разрушения уплотнительного кольца полость кольцевой расточки в корпусе для фиксации дифференциальной втулки и фиксатора в закрытом положении циркуляционных отверстий будет негерметична, возможно попадание твердой фазы бурового раствора и/или пропанта в эту полость. Заполнение полости после перемещения дифференциальной подвижной втулки ключом вверх не позволит фиксатору упруго расшириться, в результате чего дифференциальная подвижная втулка не будет зафиксирована в исходном положении. Поэтому после расцепления с ключом дифференциальная втулка от действия гидростатического давления вновь переместится в нижнее положение, открыв циркуляционные отверстия, что не обеспечит разобщения полости известной муфты с заколонным пространством и, следовательно, обсадная колонна будет негерметична.
Невозможность перемещения дифференциальной втулки ключом в исходное положение может быть связана также и с тем, что полость А, выполненная в верхней ступени дифференциальной подвижной втулки известной муфты, после разрыва мембранной заглушки будет заполнена рабочей жидкостью и гидравлически сообщена с полостью известной муфты, что не исключает возможности попадания твердой фазы бурового раствора и/или пропанта в полость А в процессе последующей операции гидроразрыва и создаст препятствие подъему дифференциальной втулки в исходное положение.
Таким образом, совокупность возможных перечисленных обстоятельств, связанных с невозможностью возврата дифференциальной втулки в исходное положение и невозможностью ее фиксации в исходном положении после подъема, создает предпосылки нештатных ситуаций в работе дифференциальной втулки, что снижает надежность ее использования в качестве элемента, перекрывающего циркуляционные отверстия известной муфты после выполнения операции гидроразрыва.
Кроме того, эффективность работы известной муфты может быть снижена вследствие того, что при цементировании скважины циркуляционные отверстия корпуса будут заполнены цементным раствором, который после затвердевания с учетом цементного кольца снаружи муфты увеличит толщину и прочность цементного камня в зоне ее циркуляционных отверстий. Поэтому возможна ситуация, когда развиваемого на поверхности насосами давления будет недостаточно для разрушения увеличенного по толщине цементного камня во всех циркуляционных отверстиях, что снизит эффективность работы известной муфты, поскольку зона охвата прискважинного пространства операцией гидроразрыва будет уменьшена.
Совокупность перечисленных недостатков известного устройства существенно снижает надежность и эффективность его работы.
Задачей изобретения является создание технического решения муфты для гидроразрыва пластов в скважине, лишенной перечисленных недостатков.
Техническим результатом решения этой задачи является повышение надежности и эффективности работы муфты.
Для обеспечения этого результата известная муфта для гидроразрыва пластов в скважине, содержащая
1
1
корпус в виде трубы ступенчатой формы, в нижней ступени которого выполнена расточка диаметром D и циркуляционные отверстия, равномерно расположенные по окружности, а в верхней ступени выполнена расточка диаметром D, при этом D>D,
дифференциальную втулку, выполненную в виде ступенчатой втулки и установленную с возможностью перемещения в расточках корпуса, при этом ее нижняя ступень в исходном положении дифференциальной втулки перекрывает циркуляционные отверстия корпуса,
фиксатор, выполненный в виде разрезного упругого кольца установленный в кольцевой проточке, выполненной на наружной поверхности нижней ступени дифференциальной втулки,
1
замкнутую полость между корпусом и дифференциальной втулкой для ее осевого перемещения, образованную расточкой корпуса диаметром D и верхней ступенью втулки диаметром D, заполненную воздухом под атмосферным давлением,
кольцевую расточку, выполненную в расточке корпуса диаметром D и взаимодействующую с фиксатором после осевого перемещения дифференциальной втулки в открытом положении циркуляционных отверстий корпуса,
кольцевую расточку, выполненную в расточке корпуса диаметром D, соответствующую закрытому положению циркуляционных отверстий корпуса,
уступы в кольцевых канавках, взаимодействующие с плашками ключа, спускаемого в полость корпуса,
уплотнительные элементы, герметизирующие подвижные взаимодействия деталей,
СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ
1
расточка корпуса диаметром D расположена в верхней ступени корпуса, в которой расположена верхняя ступень дифференциальной втулки, а в нижней ступени корпуса расположена расточка диаметром D, в которой расположена нижняя ступень дифференциальной втулки,
1
дополнительно содержит скребок, закрепленный на верхней ступени дифференциальной втулки, размещенный в расточке корпуса диаметром D и выполненный в виде втулки с конической расточкой, расширяющейся вверх и образующей с наружной цилиндрической поверхностью втулки острую кромку,
дополнительно содержит перекрыватель циркуляционных отверстий корпуса, выполненный в виде цилиндрической втулки и расположенный под дифференциальной втулкой с возможностью перемещения в расточке корпуса диаметром D,
на наружной поверхности перекрывателя выполнена кольцевая проточка, в которой расположен стопор в виде разрезного упругодеформируемого кольца с заданными усилиями смещения, в исходном положении перекрывателя взаимодействующий с кольцевой расточкой, выполненной в расточке корпуса диаметром D,
кольцевая расточка, выполненная в расточке корпуса диаметром D и соответствующая закрытому положению циркуляционных отверстий корпуса, расположена выше кольцевой расточки, взаимодействующей со стопором в исходном положении перекрывателя, при этом полости кольцевых расточек герметичны и заполнены воздухом под атмосферным давлением,
а уступы в кольцевых канавках, взаимодействующие с плашками ключа, спускаемого в полость корпуса, выполнены во втулке перекрывателя,
дифференциальная втулка в исходном положении зафиксирована относительно корпуса срезными штифтами,
кольцевая расточка, взаимодействующая с фиксатором после осевого перемещения дифференциальной втулки в открытом положении циркуляционных отверстий корпуса, выполнена в замкнутой полости между корпусом и дифференциальной втулкой,
в сопряжении внутренних цилиндрических поверхностей корпуса и наружных цилиндрических поверхностей дифференциальной втулки выполнен зазор, величина которого превышает суммарную величину радиальной деформации корпуса с уменьшением его внутреннего диаметра от воздействия наружного давления в скважине и радиальной деформации дифференциальной втулки с увеличением ее наружного диаметра от внутриколонного давления,
причем циркуляционные отверстия корпуса заполнены термостойкой консистентной смазкой и закрыты от контакта со стволом скважины кольцом, выполненным из нетканого синтетического материала и вклеенным в кольцевую канавку на наружной поверхности корпуса.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображена заявляемая муфта для гидроразрыва пластов в скважине в исходном (транспортном) положении;
на фиг.2 изображена заявляемая муфта для гидроразрыва пластов в скважине в открытом положении циркуляционных отверстий;
на фиг.3. изображена заявляемая муфта для гидроразрыва пластов в скважине в закрытом положении циркуляционных отверстий.
1
1
Заявляемая муфта для гидроразрыва пластов в скважине {фиг.1) содержит корпус 1 в виде трубы ступенчатой формы, в верхней ступени 2 которого выполнена расточка 3 диаметром D, а в нижней ступени 4 выполнена расточка 5 диаметром D и циркуляционные отверстия 6, равномерно расположенные по окружности, при этом D>D. В расточках 3 и 5 установлена с возможностью перемещения дифференциальная втулка 7, выполненная в виде ступенчатой втулки. Нижняя ступень 8 дифференциальной втулки 7 расположена в расточке 5 и в исходном положении дифференциальной втулки 7 перекрывает циркуляционные отверстия 6, а ее верхняя ступень 9 расположена в расточке 3 и оснащена соединенным с ней скребком 10, выполненным в виде втулки с конической расточкой, расширяющейся вверх и образующей с наружной цилиндрической поверхностью втулки острую кромку 11.
1
1
В сопряжении внутренних цилиндрических поверхностей расточек 3 и 5 корпуса 1 и наружных цилиндрических поверхностей ступеней 8 и 9 дифференциальной втулки 7 выполнен зазор, величина которого превышает суммарную величину радиальной деформации расточек 3 и 5 корпуса 1 с уменьшением их диаметров D и D от воздействия наружного давления в скважине и радиальной деформации ступеней 8 и 9 дифференциальной втулки 7 с увеличением их наружного диаметра D и D от внутриколонного давления.
1
В кольцевой проточке 12, выполненной на наружной поверхности нижней ступени 8 дифференциальной втулки 7, установлен фиксатор 13, выполненный в виде разрезного упругого кольца, над которым между корпусом 1 и дифференциальной втулкой 7 для ее осевого перемещения расположена замкнутая полость 14, образованная расточкой 5 диаметром D и верхней ступенью 9 дифференциальной втулки 7 диаметром D, заполненная воздухом под атмосферным давлением.
В замкнутой полости 14 выполнена кольцевая расточка 15, предназначенная для взаимодействия с фиксатором 13 после осевого перемещения дифференциальной втулки 7 вверх для открытия циркуляционных отверстий 6, которые в исходном положении заполнены термостойкой консистентной смазкой 16 и закрыты от контакта со стволом скважины (не показан) кольцом 17, выполненным из нетканого синтетического материала и вклеенным в кольцевую канавку 18 на наружной поверхности корпуса 1.
Дифференциальная втулка 7 в исходном положении зафиксирована относительно корпуса 1 срезными штифтами 19.
В нижней ступени 4 корпуса 1 в расточке 5 диаметром D установлен с возможностью перемещения перекрыватель 20 циркуляционных отверстий 6, выполненный в виде цилиндрической втулки и расположенный под дифференциальной втулкой 7, на наружной поверхности которого в кольцевой проточке 21 установлен стопор 22, выполненный в виде разрезного упругодеформируемого кольца с заданными усилиями смещения, в исходном положении перекрывателя 20 взаимодействующий с кольцевой расточкой 23, выполненной в расточке 5 диаметром D.
Для фиксации перекрывателя 20 в закрытом положении циркуляционных отверстий 6 в расточке 5 корпуса 1 выполнена кольцевая расточка 24, взаимодействующая со стопором 22 после его перемещения в верхнее положение. Полости кольцевых расточек 23 и 24 герметичны и заполнены воздухом под атмосферным давлением.
Уступы 25 и 26, выполненные внутри перекрывателя 20 взаимодействуют с плашками ключа (не показан), спускаемого в полость корпуса 1 для перемещения перекрывателя 20 с целью закрытия или открытия циркуляционных отверстий 6.
Уплотнительные элементы 27, 28, 29, 30, 31 и 32 герметизируют подвижные взаимодействия и неподвижные соединения деталей.
Заявляемая муфта работает следующим образом.
Муфту в составе обсадной колонны 33 (фиг.1) спускают в требуемый интервал скважины и производят цементирование обсадной колонны 33. При этом, благодаря тому, что цементировочные отверстия 6 в исходном положении заполнены термостойкой консистентной смазкой 16 и закрыты от контакта со стволом скважины (не показан) кольцом 17, выполненным из нетканого синтетического материала и вклеенным в кольцевую канавку 18 на наружной поверхности корпуса 1, цементный раствор не сможет заполнить циркуляционные отверстия 6, что уменьшит толщину и прочность цементного камня при его разрушении во время операции гидроразрыва.
После затвердевания цементного раствора в обсадную колонну 33 в интервал установки муфты спускают на трубах селективный пакер (не показан), устанавливая его таким образом, чтобы заявляемая муфта находилась между уплотнительными элементами пакера, активируют его, после чего производят нагнетание технологической жидкости с пропантом.
1
При расчетной величине давления нагнетаемой жидкости внутри муфты произойдет срез штифтов 19 и дифференциальная втулка 7 благодаря соотношению диаметров D>D ее ступеней 8 и 9 и наличию замкнутой полости 14, заполненной воздухом под атмосферным давлением, переместится вверх (фиг.2), открывая циркуляционные отверстия 6. При этом острой кромкой 11 скребка 10 будут удалены затвердевшие остатки цементного раствора из полости расточки 3, что обеспечит беспрепятственное перемещение дифференциальной втулки 7 для открытия циркуляционных отверстий 6.
1
Возможность перемещения дифференциальной втулки 7 будет обеспечиваться также гарантированным зазором в сопряжении внутренних цилиндрических поверхностей расточек 3 и 5 корпуса 1 и наружных цилиндрических поверхностей ступеней 8 и 9 дифференциальной втулки 7, величина которого превышает суммарную величину радиальной деформации расточек 3 и 5 корпуса 1 с уменьшением их диаметров и D от воздействия наружного давления в скважине и радиальной деформации ступеней 8 и 9 дифференциальной втулки 7 с увеличением их наружного диаметра D и D от внутриколонного давления.
В конце перемещения дифференциальной втулки 7 вверх фиксатор 13, упруго расширившись в кольцевой расточке 15, зафиксирует дифференциальную втулку 7 в верхнем положении, соответствующем открытому положению циркуляционных отверстий 6. Гарантированное взаимодействие фиксатора 13 с кольцевой расточкой 15 и фиксация дифференциальной втулки 7 будут обеспечены тем, что кольцевая расточка 15 выполнена в замкнутой полости 14, заполненной воздухом под атмосферным давлением, куда не может проникнуть жидкость из полости муфты, что исключает заполнение кольцевой расточки 15 остатками цементного раствора и/или твердой фазой бурового раствора и пропантом, препятствующими расширению фиксатора 13.
Далее через заявляемую муфту производят закачку под давлением технологической жидкости с пропантом для гидроразрыва продуктивного пласта. При этом, благодаря отсутствию затвердевшего цементного раствора в циркуляционных отверстиях 6 за счет их заполнения термостойкой консистентной смазкой 16, произойдет ее выдавливание и последующее разрушение в зоне циркуляционных отверстий 6 кольца 17, выполненного из нетканого синтетического материала и вклеенного в кольцевую канавку 18 на наружной поверхности корпуса 1. Отсутствие цементного камня в циркуляционных отверстиях 6 обеспечит также одновременность истечения технологической жидкости через них, что повысит эффективность работы заявляемой муфты благодаря равномерному воздействию технологической жидкости с пропантом на прискважинное пространство в радиальном направлении. При этом будет уменьшена величина давления, при котором произойдет разрушение цементного кольца в зоне циркуляционных отверстий 6, поскольку эти отверстия не будут заполнены затвердевшим цементным раствором.
После проведения операции гидроразрыва при необходимости герметизации полости обсадной колонны 33 производят закрытие циркуляционных отверстий 6 перекрывателем 20 (фиг.3), для чего из обсадной колонны 33 извлекают селективный пакер и спускают на трубах ключ с плашками (не показан), которые входят в зацепление с кольцевым уступом 25 перекрывателя 20, и осевым перемещением ключа с плашками в сторону устья, преодолевая удерживающую силу стопора 22, сдвигают перекрыватель 20 вверх, закрывая циркуляционные отверстия 6 и разобщая полость обсадной колонны 33 и полость ствола скважины.
При этом стопор 22, выполненный в виде разрезного упругодеформируемого кольца с заданными усилиями смещения, выходя из кольцевой расточки 23 в расточку 5, будет смыкаться, уменьшая свой наружный диаметр до диаметра D, а затем в верхнем положении перекрывателя 20, взаимодействуя с кольцевой расточкой 24 будет упруго расширяться, увеличивая свой наружный диаметр до исходного состояния и фиксируя перекрыватель 20 в закрытом положении циркуляционных отверстий 6.
При необходимости повторения операции гидроразрыва через заявляемую муфту осуществляют открытие циркуляционных отверстий 6 перекрывателем 20, для чего в обсадную колонну 33 спускают на трубах ключ с плашками (не показан), которые входят в зацепление с кольцевым уступом 26 перекрывателя 20, и осевым перемещением ключа с плашками, преодолевая удерживающую силу стопора 22, сдвигают перекрыватель 20 вниз (на фиг.2), открывая циркуляционные отверстия 6.
При этом стопор 22, выполненный в виде разрезного упругодеформируемого кольца с заданными усилиями смещения, выходя из кольцевой расточки 24 в расточку 5, будет смыкаться, уменьшая свой наружный диаметр до диаметра D, а затем в нижнем положении перекрывателя 20, взаимодействуя с кольцевой расточкой 23, будет упруго расширяться, фиксируя перекрыватель 20 в открытом положении циркуляционных отверстий 6.
Благодаря тому, что полости кольцевых расточек 23 и 24 герметичны и заполнены воздухом под атмосферным давлением, куда не может проникнуть жидкость из полости муфты, будет исключена возможность заполнения кольцевой проточки 21 и кольцевых расточек 23 и 24 остатками цементного раствора и/или твердой фазой бурового раствора и пропантом, препятствующими смыканию или расширению стопора 22. Тем самым гарантируется фиксация перекрывателя 20 в верхнем или нижнем положении, соответствующем закрытому или открытому положению циркуляционных отверстий 6, чем повышается надежность работы заявляемой муфты.
Таким образом, совокупность отличительных признаков заявляемой муфты обеспечивает по сравнению с аналогом и прототипом повышение надежности и эффективности ее работы.