Система гидроразрыва пласта
HYDRAULIC FRACTURING SYSTEM

Изобретение относится к нефтегазовому оборудованию для проведения операций гидроразрыва пласта (ГРП).
Обычной практикой при добыче углеводородов является гидроразрыв углеводородосодержащего пласта. Гидроразрыв углеводородосодержащего пласта увеличивает общую проницаемость пласта и тем самым увеличивает добычу углеводородов из зоны разрыва.
Технология многостадийного гидроразрыва пласта (МГРП) широко используется в России и мире, при этом используемые муфты ГРП имеют достаточно много модификаций.
Существует много ситуаций, в которых скважинные инструменты должны избирательно приводиться в действие. Во время гидравлического разрыва в скважинах, законченных в нескольких продуктивных пластах, ряд инструментов, или блоки инструментов, размещают в каждой зоне, и каждый скважинный инструмент необходимо приводить в действие и выводить текучую среду для подачи наружу для гидроразрыва скважины. Приведение в действие должно выполняться последовательно для обеспечения последовательного гидроразрыва ствола скважины вдоль длины ствола, не допуская утечки текучей среды гидроразрыва через зоны ранее выполненного гидроразрыва пласта.
Вместе с тем, осуществление связи с инструментами для их приведения в действие в скважинной окружающей среде может представлять трудности. Существуют системы, например, радиочастотной идентификации, но такие системы являются сложными, дорогостоящими и подверженными отказам. Из уровня техники известно, что использование механических устройств со сбросом шаров разного диаметра имеет предел количества стадий гидроразрыва пласта. Самым распространенным является приведение инструментов в действие механическим способом. Шары последовательно увеличивающегося диаметра сбрасывают вниз по трубному изделию, установленному в стволе скважины. Инструменты выполнены в такой конфигурации, что первый сброшенный шар, который имеет самый малый диаметр, проходит через первый и промежуточные инструменты, которые имеют седло шара (далее в данном документе именуется седло) большего диаметра, пока шар не достигнет самого удаленного инструмента в скважине. Данный самый удаленный инструмент выполнен с седлом меньше первого сброшенного шара так, что шар размещается в седле инструмента, закрывая основной канал, и обуславливает открытие боковых окон, таким образом, отклоняя поток текучей среды. Последовательно сбрасываемые шары имеют увеличивающийся диаметр, так что они также проходят через приближенные инструменты, но размещаются в удаленных инструментах с подходящий диаметром седла. Это продолжается до приведения в действие всех инструментов по порядку от самого удаленного до самого приближенного.
Вместе с тем, данный подход имеет ряд недостатков. Число инструментов с изменяющимися седлами, которые можно использовать, ограничено на практике, поскольку должна существовать значительная разница в диаметре седла и, следовательно, шара, чтобы шар, нештатно сработав, не привел в действие предыдущие инструменты. Седла имеют небольшой или значительно меньше хвостовика диаметр, что создает нежелательное сопротивление потоку добываемого флюида
Чем меньше седло, тем значительнее сужение. Кроме того, для добычи чаще всего необходим «полнопроходной» хвостовик для снижения трения движения флюидов и достижения заданных дебетов. Также полнопроходной хвостовик необходим для дальнейших внутрискважинных работ (спуск приборов и т.д.). В качестве решения чаще всего производится разбуривание седел, что очень затратно и рискованно.
Необходимо создание устройства, которое обеспечивает приведение в действие большого числа скважинных инструментов, и создание скважинных инструментов с одинаковым наибольшим возможным диаметром седла.
Ближайшим аналогом является скважинная система, раскрытое в патенте RU 2531407 C2, опубл. 20.10.2014. Известное решение содержит, по меньшей мере, две скользящие муфты, каждая из которых имеет подвижную вставку, которая блокирует радиальный поток текучей среды через скользящую муфту, когда скользящая муфта закрыта. К вставке прикреплено расцепляемое седло, которое по периферии опирается на внутреннюю поверхность корпуса. По достижении первого седла шар может образовывать уплотнение. При этом насосы гидроразрыва могут приложить давление текучей среды к расположенному на седле шару и соответствующему седлу для открывания скользящей муфты и блокирования ее в постоянно открытом положении. При перемещении скользящей муфты и соответствующего седла вниз седло достигает области, где оно больше не опирается на внутреннюю поверхность корпуса, что приводит к высвобождению шара седлом. Далее шар продолжает спускаться до седла в следующей скользящей муфте, и процесс повторяется до тех пор, пока все скользящие муфты, которые могут быть активированы определенным шаром, не будут переведены в постоянно открытое положение, и шар не расположиться в шаровом седле, которое не высвободит его и, таким образом, герметизирует ствол скважины.
К недостаткам данного решения можно отнести недостаточно большой диаметр седла, в связи с чем сужается поток, проходящий через трубу, и, как следствие возникает необходимость удаления седел чтобы максимизировать поток углеводородов во время эксплуатации скважины.
Сущность изобретения
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении надежности работы системы гидроразрыва пласта и снижении стоимости строительства скважин.
Система гидроразрыва пласта, содержащая, по меньшей мере, две скользящие муфты одинакового диаметра, установленных внутри скважины и выполненных с возможностью перемещаться между закрытым положением и открытым положением, причем муфты приводятся в действие сбросом растворимого шара, включают раздвижное седло и механический счетчик, представляющий собой поворотно-поступательный механизм, содержащий внутреннюю втулку пошагового перемещения и блокирующий элемент,
причем раздвижное седло и механический счетчик выполнены с возможностью обеспечивать прохождение шара с заданным усилием через седло,
и причем механический счетчик выполнен с возможностью блокировки прохождения шаров через муфту после различного для каждой муфты предустановленного количества прохождений шаров.
За счет использования механического счетчика, содержащего внутреннюю втулку пошагового перемещения и блокирующий элемент, в составе скользящих муфт одинакового диаметра повышается надежность работы системы гидроразрыва.
Краткое описание чертежей.
На Фиг.1 представлен общий вид системы ГРП.
На Фиг. 2а представлена функциональная схема муфты ГРП.
На Фиг. 2б представлена муфта ГРП в закрытом положении.
На Фиг. 2в представлена муфта ГРП в открытом положении.
На Фиг. 3а-3в представлена активация муфт ГРП с помощью сброса шаров одного диаметра.
Подробное описание изобретения
Система ГРП (гидроразрыв пласта) используется при строительстве нефтяных и газовых скважин высокого давления, является частью хвостовика, который спускается непосредственно в продуктивный пласт, и является в дальнейшем инструментом пропуска добываемого флюида внутрь хвостовика. В составе хвостовика (Фиг. 1) используется несколько муфт ГРП для проведения стимуляции скважины, а именно увеличение площади притока углеводородов методом гидроразрыва пласта. Каждая из муфт спускается в скважину в закрытом положении и активируется с помощью сброса шара с поверхности внутрь транспортной колонны / хвостовика. После «приземления» шара на необходимую муфту происходит перекрытие внутреннего диаметра хвостовика и, при дальнейшем нагнетании давления с поверхности, сдвиг внутренней шторки муфты вместе с шаром и седлом, что далее открывает окна муфты для проведения ГРП.
Сутью технического решения является применение в системе гидроразрыва муфт ГРП с седлами одного диаметра, который максимально близок к внутреннему диаметру хвостовика. Каждая из муфт ГРП механически запрограммирована на определенное количество шаров, которые могут проскочить через заданную муфту с помощью механического счетчика. Поворотно-поступательный механизм позволяет отсчитывать каждый пройденный шар открытием седла.
Функционально муфту ГРП (Фиг. 2а) можно разделить на три секции: секция 1 для проведения ГРП с закрываемой шторкой, секция 2 открываемого седла для шара, секция 3 возвратного механизма отсчета стадий и механического счетчика с поворотно-поступательным механизмом для отсчета стадий с упором для последней стадии.
Механический счетчик в сочетании с раздвижным седлом обеспечивает прохождение шара с заданным усилием через седло. При прохождении шара происходит поворот внутренней втулки и переключение счетчика в следующее положение. Седло принимает свой изначальный диаметр, а счетчик с втулкой никогда не возвращается в свое первоначальное положение «отсчитывая» стадию. В крайнем положении счетчика (после последнего «отсчета») механизм заблокирован и седло больше не может пропускать шары.
Данная функция счетчика может быть реализована, к примеру, с использованием подпружиненного блокирующего элемента, который при прохождении шара через седло сдвигается вдоль дорожки гнезд, обеспечивающих фиксацию блокирующего элемента. При этом при прохождении следующего шара через седло обеспечивается высвобождение блокирующего элемента из текущего гнезда и перемещение к следующему гнезду. В данном примере количество шагов сдвига блокирующего элемента обеспечивает возможность запрограммировать счетчик на заранее определенное количество срабатываний.
К примеру, муфта ГРП №3 пропустит два шара, но на третьем шаре счетчик муфты будет в заблокированном состоянии, что позволит шару сесть на седло, перекрыть хвостовик и далее открыть окна муфты для стимуляции. Муфта ГРП №2 пропустит три шара, но на четвертом шаре счетчик муфты будет в заблокированном состоянии. Муфта ГРП №1 пропустит четыре шара, но на пятом шаре счетчик муфты будет в заблокированном состоянии.
В начальном положении до активации муфт ГРП, входящих в состав системы, механические шторки (секция 1) муфт закрыты, механический счетчик (секция 3) с поворотно-поступательным механизмом открыт (Фиг. 2б). В конечном положении (активация гидроразрыва) механические шторки (секция 1) открыты, механический счетчик (секция 3) заблокирован (Фиг. 2в).
Активация муфт ГРП с помощью сброса шаров одного диаметра происходит следующим образом.
При сбросе шара 4, последний попадает в седло (секция 2) муфты ГРП, активируя систему отсчета стадий. Далее активируется поворотно-поступательный (секция 3) механизм, «открывающий» седло (секция 2) и позволяющий шару 4 проходить к следующей муфте. Для обеспечения прохождения шаров 4 через седло (секция 2) обеспечивают нагнетание давления в системе выше шара с заранее определенным значением (Фиг. 3а). Механический счетчик (секция 3) «отсчитывает» прохождение шара и возвращает седло (секция 2) в первоначальное положение с помощью возвратно-поступательного механизма (секция 3). Возвратно-поступательный механизм (секция 3) представляет собой защищенную от твердых частиц пружинную камеру для возврата седла (секция 2) в исходное положение.
При первом прохождении шара 4, седло (секция 2) дополнительно удерживается от открытия срезными штифтами с определенным значением давления, которое на порядок выше последующих давлений переключения. Это сделано для безопасного прохождения седел муфт цементировочной пробкой (для исключения переключений) в скважинах, где используется цементирование хвостовика.
При достижении шаром 4 нужной муфты механический счетчик (секция 3) находится в заблокированном положении и не позволяет «открывать» седло (секция 2) (Фиг. 3б).
После сброса всех шаров 4 производят активацию муфт ГРП путем нагнетания давления в системе с заранее определенным значением (Фиг. 3в), в следствии чего механические шторки (секция 1) муфт открываются.
Шар, выполненный растворимым, может быть изготовлен из металла или сплава, способного подвергаться коррозии в водных растворах, а именно в водных технологических скважинных растворах.
Скважина не требует каких-либо дополнительных действий внутри хвостовика и готова к добыче.
Надежность действия узлов гарантированно обеспечивает работу муфты ГРП в термобарических условиях, с растворами высокой плотности и с цементами.
Муфта ГРП используется для проведения многостадийного ГРП с применением растворимых шаров одного размера. Диаметр седла муфты находится в интервале от 75% до 90% значения диметра хвостовика. Такое выполнение муфты позволяет сохранять полнопроходный диаметр хвостовика после растворения шаров, что исключает необходимость разбуривания седел. Количество стадий не ограничено. Также возможно использование муфт в цементируемых и нецементируемых хвостовиках.
Конструкция муфты с использованием поворотно-поступательных механизмов позволяет достичь максимальной надежности и безотказности. Каждая из муфт может быть настроена на необходимую стадию ГРП непосредственно перед спуском в скважину.
Сборка и спуск муфт ГРП производится любым известным специалистам способом. Спуск может производится с расхаживанием и с вращением хвостовика.
Муфты могут быть использованы с гидромеханическими пакерами для перекрытия зон ГРП.
При цементируемом хвостовике продавочная пробка свободно проходит через каждую из муфт ГРП. Дополнительно муфты оборудованы срезными штифтами для предотвращения срабатывания механизма отсчета стадий до попадания в седло шара заданного диаметра.
Муфта не имеет внутренних элементов, которые могут быть повреждены или закупорены из-за цементирования. Все механизмы изолированы или независимы от засорения.
Исполнение муфты ГРП могут быть различными в зависимости от применения: закрываемые или не закрываемые, а также с использованием дополнительной втулки для управления притоком в скважине (с использованием устройства контроля притока).
Преимущества заявленного изобретения:
- проведение практически безграничного количества стадий ГРП в одной скважине, используя традиционную надежную идеологию сброса шаров с поверхности;
- близкий к полнопроходному диаметр седел экономит средства, время и снижает риски;
- применимость в цементируемых и нецементируемых хвостовиках, с возможностью вращения в составе хвостовика во время спуска в скважину и/или вращения во время цементажа;
- механизм счетчика исключает аварийность при использовании.