[1]Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к устройствам для направленного вскрытия продуктивного пласта в горизонтальной скважине с обсадной колонной и проведения гидравлического разрыва пласта.
[2]Известен импульсный гидроперфоратор (патент RU №2061849, МПК Е21В 43/114, опубл. 10.06.1996 г., бюл. №16), включающий гидромониторный корпус с продольным каналом, вал, размещенный в корпусе, элемент открытия-закрытия боковых отверстий корпуса и сопла, помещенные в боковых отверстиях. Гидроперфоратор снабжен резиновым амортизатором, размещенным над гидромониторным корпусом, и гидравлическим фиксатором-центратором с выдвижными штоками, размещенными под гидромониторным корпусом, который выполнен с радиальным каналом в плоскости, перпендикулярной плоскости боковых отверстий, перекрыт крышками с подшипниками и тангенциально сообщается в средней части с продольным каналом, имеющим выход в нижней части корпуса по концам радиального канала. Вал размещен в крышках радиального канала и выполнен с односторонним стержневым приливом в средней части длиной, соответствующей радиусу радиального канала, и площадью торцевой части, не меньшей просвета боковых отверстий. Амортизатор состоит из верхнего упора, двухступенчатой втулки и соответствующей ей меньшей ступени патрубка, помещенного внутри двухступенчатой втулки с возможностью осевого перемещения и имеющего уступ в средней части, выше которого до верхнего упора и ниже которого размещены резиновые элементы прямоугольного сечения.
[3]Недостатки данного устройства:
[4]- во-первых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством узлов и деталей (двухступенчатой втулки, амортизатора, крышек, упоров и т.д.);
[5]- во-вторых, невозможность выполнения перфорации в заданном направлении относительно оси скважины, например, выполнения перфорации в обсадной колонне или выполнения каверн в открытом стволе в направлении минимального напряжения пород пласта;
[6]- в-третьих, низкая эффективность работы устройства, связанная с тем, что направление выполнения каверн относительно оси скважины из струйных насадок перфоратора в призабойной зоне и направление трещины гидроразрыва пласта (ГРП), которая развивается в направления минимального напряжения пласта, не совпадают. В результате трещина, образуемая из каверн при последующем ГРП, разворачивается в призабойной зоне пласта в направлении минимального напряжения, что приводит к росту давления в процессе проведения ГРП и может привести к преждевременному прекращению процесса ГРП;
[7]- в-четвертых, высокая длительность перфорации, обусловленная импульсным принципом действия устройства, т.е. время перфорации увеличивается за счет прерывистого действия струи на обсадную колонну и/или открытый ствол.
[8]Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является секционный гидропескоструйный перфоратор (патент RU №2466270, МПК Е21В 43/114, опубл. 10.11.2012 г., бюл. №31), содержащий полый корпус, состоящий из отдельных секций с радиальными отверстиями и установленными в них струйными насадками, центратор. Перфоратор для соединения секций снабжен проставками различной длины и муфтами, причем соединение выполнено встык посредством муфт, расположенных снаружи, а соединительные концы муфт, проставок и каждой секции выполнены с правой и левой резьбами.
[9]Недостатки данного устройства:
[10]- во-первых, невозможность выполнения гидропескоструйной перфорации в обсадной колонне или открытом стволе скважины в заданном направлении (например, вверх относительно оси горизонтальной скважины) независимо от положения устройства в скважине, например, для выполнения перфорации в обсадной колонне или выполнения каверн в открытом стволе в направлении минимального напряжения пород пласта;
[11]- во-вторых, низкая эффективность работы устройства, связанная с тем, что направление выполнения каверн относительно оси скважины из струйных насадок перфоратора в призабойной зоне и направление трещины ГРП, которая развивается в направления минимального напряжения пласта, не совпадают. В результате трещина, образуемая из каверн при последующем ГРП, разворачивается в призабойной зоне пласта в направлении минимального напряжения, что приводит к росту давления в процессе проведения ГРП и может привести к преждевременному прекращению процесса ГРП;
[12]- в-третьих, низкая надежность работы перфоратора, связанная с тем, что между насадкой и стенкой обсадной колонны имеется значительное расстояние, что приводит к рассеиванию потока гидроабразивной жидкости (водопроппантной смеси) и к ее обратному воздействию рикошетом от обсадной колонны на насадку. В результате места крепления насадок к корпусу перфоратора разрушаются за одну скважино-операцию и требуют подъема перфоратора на поверхность для замены насадок;
[13]- в-четвертых, высокая вероятность закупоривания отверстия струйной насадки проппантом, так как конструктивно диаметр отверстия струйных насадок не зависит от диаметра зерен проппанта, что чревато резким ростом давления и прекращением перфорации.
[14]Техническими задачами изобретения являются возможность выполнения перфорации в обсадной колонне или каверн в открытом стволе скважины в заданном направлении, повышение эффективности и надежности работы секционного гидропескоструйного перфоратора, исключение закупоривания отверстий струйной насадки зернами песка или проппанта при проведении перфорации.
[15]Поставленные технические задачи решаются секционным гидропескоструйным перфоратором, содержащим полый корпус, состоящий из муфты, отдельных секций с радиальными отверстиями и установленными в них струйными насадками, центраторов, отдельные секции соединены между собой проставками.
[16]Новым является то, что в секциях радиальные отверстия выполнены под заданным углом относительно оси корпуса, при этом в секциях отверстия выполнены со смещением вверх от оси корпуса, причем диаметр отверстий в секциях меньше, чем диаметр отверстий в муфте и в проставках, снабженных снаружи жесткими центраторами, при этом муфта, секции и проставки разделены между собой подшипниками и стянуты валом с навернутыми на него с двух сторон гайками, причем вал установлен эксцентрично относительно оси корпуса и жестко соединен с отдельными секциями, а гайки контактируют с муфтой и последней заглушенной подшипниками секцией, при этом муфта, отдельные секции и проставки герметично разделены между собой уплотнительными элементами, а отдельные секции имеют возможность совместного вращения с валом относительно неподвижных муфты и проставок, причем струйные насадки запрессованы в отдельные секции, выполнены из твердосплавного материала под конус, оснащены наружной и внутренней коническими поверхностями, сужающимися наружу от отдельной секции полого корпуса, при этом радиальный вылет запрессованной в отдельную секцию струйной насадки меньше радиального вылета центраторов муфты и проставки, а диаметр струйной насадки соответствует шести диаметрам зерен фракции проппанта.
[17]На фиг. 1 схематично изображен предлагаемый секционный гидропескоструйный перфоратор.
[18]На фиг. 2 изображен разрез отдельной секции секционного гидропескоструйного перфоратора.
[19]На фиг. 3 изображено сечение проставки секционного гидропескоструйного перфоратора.
[20]На фиг. 4 изображена струйная насадка, ввернутая в радиальное отверстие секции секционного гидропескоструйного перфоратора.
[21]Секционный гидропескоструйный перфоратор содержит полый корпус 1 (см. фиг. 1), состоящий из муфты 2, отдельных секций 3 с радиальными отверстиями 4 и установленными в них струйными насадками 5. Отдельные секции 3 соединены между собой проставками 6.
[22]Количество отдельных секций 3 и соответственно проставок 6 зависит от количества интервалов перфорации, которые необходимо выполнить в горизонтальном стволе скважины с обсадной колонной или открытым стволом.
[23]Например, рассмотрим секционный гидропескоструйный перфоратор с двумя секциями 3 и одной проставкой 6. При необходимости увеличения интервалов перфорации в горизонтальной скважине количество секций 3 и проставок 6 увеличивают.
[24]Для проведения гидропескоструйной перфорации с последующим проведением ГРП заданный угол определяют исходя из направления минимального напряжения σмин пласта, в котором необходимо выполнить трещину ГРП. Например, направление минимального напряжения σмин пласта относительно оси 7 полого корпуса 1 направлено вверх (см. фиг. 1), поэтому радиальные отверстия 4 в секции 3 направляют вверх, т.е. выполняют под углом α=90° (см. фиг. 2) к оси 7 полого корпуса 1.
[25]Отверстия 8 (см. фиг. 1) в секциях 3 выполнены со смещением вверх от оси 7 полого корпуса 1. Диаметр d (см. фиг. 1, 2, 3) отверстий 8 в секциях 3 меньше, чем диаметр D отверстий 9 в муфте 2 и в проставке 6, снабженных снаружи жесткими центраторами 6'. Муфта 2, секции 3 и проставка 6 (см. фиг. 1) разделены между собой подшипниками 10 и стянуты валом 11 с навернутыми на него с двух сторон гайками 12.
[26]Вал 11 установлен эксцентрично со смещением на величину е (см. фиг. 1 и 2, 3) относительно оси 7 полого корпуса 1 и жестко соединен с отдельными секциями 3 любым известным соединением, например, с помощью шпонки 7' (на фиг. 1 и 2 показана условно). Гайки 12 (см. фиг. 1) контактируют с одной стороны с муфтой 2, а с другой - с последней заглушенной подшипниками 10 секцией 3.
[27]Муфта 2, отдельные секции 3 и проставка 6 герметично разделены между собой уплотнительными элементами 13. Отдельные секции 3 благодаря шпонке 7 имеют возможность совместного вращения с валом 11 относительно неподвижных муфты 2 и проставки 6.
[28]Струйные насадки 5 запрессованы в отдельные секции 3, выполнены из твердосплавного материала под конус, оснащены наружной 14 и внутренней 15 коническими поверхностями, сужающимися от отдельной секции 3 полого корпуса 1.
[29]Радиальный вылет r (см. фиг. 1) запрессованной в отдельную секцию 3 струйной насадки 5 меньше радиального вылета R центраторов 6' муфты 2 и проставки 6.
[30]Для запрессовки струйных насадок 5 в отдельные секции 3 полого корпуса 1 отдельные секции 3 нагревают, после чего запрессовывают в радиальные отверстия 4 струйные насадки 5. Проходной диаметр dн струйной насадки 5 (см. фиг. 4) соответствует шести диаметрам зерен песка или проппанта.
[31]Предлагаемый секционный гидропескоструйный перфоратор работает следующим образом.
[32]Перед проведением работ с перфоратором любым известным методом определяют направление минимального напряжения пород пласта, в направлении которого будет развиваться трещина ГРП после проведения гидропескоструйной перфорации.
[33]Радиальные отверстия 4 в отдельных секциях 3 выполняют (сверлят заранее перед сборкой перфоратора) в направлении минимального напряжение по результатам акустического метода.
[34]Например, в процессе бурения горизонтальной скважины акустическим методом определяют, что минимальное напряжение пород пласта направлено вверх (см. фиг. 1), поэтому радиальные отверстия 4 в отдельных секциях 3 выполняют направленными вверх (см. фиг. 2) и собирают перфоратор, как показано на фиг. 1.
[35]Если по результатам акустического метода минимальное напряжение пород пласта направлено вниз (фиг. 1-4 не показано), то радиальные отверстия 4 в отдельных секциях 3 выполняют направленными вниз, после чего собирают перфоратор.
[36]Благодаря тому, что отверстия 8 (см. фиг. 1) в секциях 3 выполнены со смещением вверх от оси 7 полого корпуса 1, а в них размещен вал 11, установленный эксцентрично со смещением на величину е (см. фиг. 1 и 2, 3) относительно оси 7 полого корпуса 1 и жестко соединен с отдельными секциями 3, то радиальные отверстия 4 в секциях 3 будут размещаться в направлении минимального напряжения независимо от положения инструмента в горизонтальной скважине.
[37]Это позволяет получить перфорацию в направлении минимального напряжения относительно окружности обсадной колонны горизонтальной скважины.
[38]Также в зависимости от диаметра зерен фракций проппанта (см. табл. 1), предназначенного для выполнения гидропескоструйной перфорации, подбирают проходной диаметр dн струйной насадки 5 из условия его соответствия шести диаметрам зерен фракции проппанта, что получено опытным путем.
[39]
[40]Например, для фракций проппанта 16/20 меш используют струйные насадки 5 с диаметром dн=8 мм.
[41]Подбор диаметра насадки в зависимости от используемой фракции проппанта при проведении гидропескоструйной перфорации позволяет исключить закупоривание отверстий струйной насадки проппантом и исключает резкий рост (скачок) давления в процессе перфорации и, как следствие, прекращение перфорации.
[42]На устье горизонтальной скважины на нижний конец колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) 16 (см. фиг. 1) наворачивают предлагаемый секционный гидропескоструйный перфоратор. На колонне НКТ 16 гидропескоструйный перфоратор спускают в горизонтальную скважину в заданный интервал перфорации обсадной колонны. В процессе спуска в необходимый интервал перфорации перфоратора центрируется в обсадной колонне центраторами 6' (см. фиг. 1 и 2), которые одновременно защищают струйные насадки 5 от повреждений, так как R>r, что исключает контакт струйных насадок 5 со стенками обсадной колонны, поскольку конусная поверхность 14 струйных насадок 5 увеличивает их длину, что позволяет приблизить верхний конец 17 (см. фиг. 2) струйных насадок 5 к стенке перфорируемой обсадной колонны.
[43]В заданном интервале перфорации горизонтальной скважины отдельные секции 3 независимо друг от друга вращаются относительно неподвижных муфты 2 и проставки 6 и за счет эксцентриситета е занимают положение, в котором радиальные отверстия 4 отдельных секций занимают положение, направленное вверх.
[44]Далее прокачивают абразивную жидкость (водопроппантную смесь) по колонне НКТ 16, которая поступает в полый корпус 1 через муфту 2 и проставку 6 в секции 3.
[45]В секциях 3 гидроабразивная жидкость поступает в радиальные отверстия 4, далее на вход струйных насадок 5, где во внутренней конической поверхности 15 происходит постепенный процесс нарастания скорости потока до максимального значения. Жидкость с абразивом, истекая из струйных насадок 5 с высокой скоростью, создает перфорационное отверстие в обсадной колонне и канал (каверну) в продуктивном пласте увеличенных размеров, так как удлинение процесса нарастания скорости на входе позволяет сформировать максимально компактные струи абразивной жидкости и получить их наибольшую пробивную способность, повышающую эффективность перфорации. Приближение верхнего конца 17 струйных насадок 5 к стенке перфорируемой обсадной колонны также повышает эффективность перфорации. В процессе прорезания обсадной колонны струи абразивной жидкости, истекающие из наклонно расположенных струйных насадок 5, отражаются от стенки обсадной колонны и воздействуют на твердосплавные материалы струйных насадок 5 по наружной конической поверхности 14, не повреждая секции 3 полого корпуса 1, при этом сохраняется целостность отдельных секций 3 полого корпуса 1 перфоратора и повышается надежность его работы, так как снижается износ устройства, а это позволяет выполнить за одну спуско-подъемную операцию колонны НКТ гидропескоструйную перфорацию в нескольких интервалах горизонтальной скважины.
[46]После прорезания перфорационных отверстий в обсадной колонне и образования каверн в пласте в направлении минимального напряжения горных пород пласта процесс гидропескоструйной перфорации продолжают с проведением ГРП пласта, т.е. образования и развития трещины разрыва в направлении минимального напряжения горных пород пласта. Развитие трещины ГРП продолжают до закачки в трещину (на фиг. 1-4 не показано) заданной массы проппанта согласно плану работ, например, 2 т.
[47]Повышается эффективность работы устройства, связанная с тем, что направление выполнения каверн относительно оси скважины из струйных насадок перфоратора в призабойной зоне совпадает с направлением развития трещины ГРП в направлении минимального напряжения пласта.
[48]В результате трещина, образуемая из каверн при последующем ГРП, не разворачивается в призабойной зоне пласта в направлении минимального напряжения, как это происходило бы при выполнении работ с использованием прототипа. Это не приводит к росту давления в процессе проведения ГРП и исключает получение преждевременного прекращения процесса ГРП.
[49]Предлагаемый секционный гидропескоструйный перфоратор позволяет:
[50]- выполнить гидропескоструйную перфорацию в обсадной колонне скважины в направлении минимального напряжения σмин пласта независимо от положения устройства в стволе скважины;
[51]- повысить эффективность и надежность работы;
[52]- исключить закупоривание отверстия струйной насадки проппантом.
