способ вскрытия пластов и устройство для его осуществления (варианты)

Формула изобретения

1. Способ вскрытия пластов, включающий спуск в скважину перфорационного устройства на насосно-компрессорных трубах (НКТ), формирование, по меньшей мере, одной щели в эксплуатационной колонне и гидромониторную обработку призабойной зоны пласта (ПЗП) с формированием каверн путем создания избыточного давления в перфорационном устройстве и подачи жидкости вскрытия через, по меньшей мере, одну гидромониторную насадку, которой оснащено перфорационное устройство, в виде струи, направленной в сформированную щель, отличающийся тем, что в начале работы по формированию щели гидромониторную насадку перекрывают во избежание циркуляции через нее жидкости вскрытия, открытие гидромониторной насадки осуществляют после начала процесса формирования перфорационной щели, определяемого моментом внедрения режущего инструмента перфорационного устройства в стенку колонны, либо непосредственно после вскрытия колонны, определяемого моментом выдвижения режущего инструмента на расстояние, достаточное для его выхода за пределы стенки колонны, либо в момент максимального выхода режущего инструмента за стенку колонны, затем, когда щель сформирована, повышают давление в НКТ для создания эффекта струи на выходе жидкости вскрытия из гидромониторной насадки и производят гидромониторную обработку ПЗП и формирование каверн, по окончании гидромониторной обработки давление в НКТ снижают, подачу жидкости через гидромониторную насадку прекращают за счет ее перекрытия, после чего перфорационное устройство поднимают на поверхность либо перемещают на новый интервал перфорации, при необходимости способ осуществляют неоднократно на одном или нескольких интервалах перфорации без дополнительных операций по спуску и подъему перфорационного устройства.

2. Гидромеханический щелевой перфоратор, имеющий рабочий узел, включающий выполненные в корпусе поршень для выдвижения режущего инструмента и, по меньшей мере, одну гидромониторную насадку, которая выполнена с возможностью сообщения с полостью корпуса, отличающийся тем, что поршень расположен в корпусе таким образом, что, при отсутствии давления на него, перекрывает канал гидромониторной насадки, при этом расстояние (Р) между поверхностью поршня, на которую подается давление, и гидромониторной насадкой определяется, исходя из следующих соотношений:

Р _П1<Р,

либо Р_П2 P<Р_П3,

либо Р=Р_П3,

где Р - расстояние (Р) между поверхностью поршня, на которую подается давление, и гидромониторной насадкой,

Р _П1 - расстояние рабочего хода поршня, совершаемого при выдвижении режущего инструмента до момента его внедрения в стенку обсадной колонны,

Р_П2 - расстояние рабочего хода поршня, совершаемого при выдвижении режущего инструмента на расстояние, достаточное для его выхода за пределы стенки колонны,

Р_П3 - расстояние рабочего хода поршня, совершаемого при выдвижении режущего инструмента на максимальное расстояние, возможное для применяемой конструкции перфорационного устройства, с возможностью открытия гидромониторной насадки при совершении поршнем соответствующего рабочего хода и закрытия гидромониторной насадки при возвращении поршня в исходное положение.

3. Гидромеханический щелевой перфоратор по п.2, отличающийся тем, что гидромониторная насадка выполнена сориентированной в сторону выдвигающегося режущего инструмента под острым углом к оси перфоратора.

4. Гидромеханический щелевой перфоратор по п.3, отличающийся тем, что гидромониторная насадка выполнена сориентированной в сторону выдвигающегося режущего инструмента под острым углом к оси перфоратора, величина которого превышает величину угла, образуемого осью перфоратора и прямой, соединяющей гидромониторную насадку с крайней точкой выдвижения режущего инструмента.

5. Гидромеханический щелевой перфоратор, имеющий рабочий узел, включающий выполненные в корпусе поршень для выдвижения режущего инструмента и, по меньшей мере, одну гидромониторную насадку, которая выполнена с возможностью сообщения с полостью корпуса, отличающийся тем, что поршень снабжен механизмом перекрытия отверстия гидромониторной насадки, например, в виде расположенного поверх поршня золотника, причем при отсутствии давления на поршень кромка перекрывающего механизма находится от гидромониторной насадки на расстоянии (Р), которое определяется, исходя из следующих соотношений:

Р_П1<Р,

либо Р _П2 P<Р_П3,

либо Р=Р_П3,

где Р - расстояние (Р) между кромкой перекрывающего механизма и гидромониторной насадкой при отсутствии давления на поршень,

Р_П1 - расстояние рабочего хода поршня, совершаемого при выдвижении режущего инструмента до момента внедрения в стенку обсадной колонны,

Р_П2 - расстояние рабочего хода поршня, совершаемого при выдвижении режущего инструмента на расстояние, достаточное для его выхода за пределы стенки колонны,

Р_П3 - расстояние рабочего хода поршня, совершаемого при выдвижении режущего инструмента на максимальное расстояние, возможное для применяемой конструкции перфорационного устройства, с возможностью открытия гидромониторной насадки при совершении поршнем соответствующего рабочего хода и закрытия гидромониторной насадки при возвращении поршня в исходное положение.

6. Гидромеханический щелевой перфоратор по п.5, отличающийся тем, что гидромониторная насадка выполнена сориентированной в сторону выдвигающегося режущего инструмента под острым углом к оси перфоратора.

7. Гидромеханический щелевой перфоратор по п.6, отличающийся тем, что гидромониторная насадка выполнена сориентированной в сторону выдвигающегося режущего инструмента под острым углом к оси перфоратора, величина которого превышает величину угла, образуемого осью перфоратора и прямой, соединяющей гидромониторную насадку с крайней точкой выдвижения режущего инструмента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области бурения и эксплуатации скважин, в частности к способам вскрытия пластов с гидромониторной обработкой призабойной зоны пласта (ПЗП) и формированием каверн путем гидромеханической щелевой перфорации, и может быть использовано при строительстве и ремонте скважин различного назначения.

Известны способы получения перфорационных щелей в эксплуатационной колонне, включающие гидромониторную обработку ПЗП и формирование каверн в цементном камне и горной породе, а также соответствующие устройства для реализации этих способов. Они раскрыты, в частности, в патентах на изобретения RU 2182221 С1, МПК 7 Е21В 43/114, 10.05.2002; RU 2205941 С2, МПК 7 Е21В 43/112, 10.06.2003; RU 2244806 С1, МПК 7 Е21В 43/112, 20.01.2005; RU 2254451 С1, МПК 7 Е21В 43/112, 20.06.2005; RU 2256066 С2, МПК 7 Е21В 43/112, 10.07.2005; RU 2247226 С1, МПК 7 Е21В 43/112, 27.02.2005.

Согласно приведенным аналогам формирование перфорационных щелей и гидромониторная обработка ПЗП производятся при помощи перфорационного устройства, спускаемого в скважину на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ), содержащего корпус, по меньшей мере один режущий инструмент, механизм выдвижения режущего инструмента, включающий поршень-толкатель, а также по меньшей мере одну гидромониторную насадку, сообщающуюся с полостью НКТ, где циркулирует жидкость вскрытия, через гидроканал, расположенный, как правило, в поршне-толкателе или в выдвижной консоли, выполненной в одном блоке с поршнем.

В соответствии с известными способами осуществляют спуск в скважину перфорационного устройства, формирование по меньшей мере одной щели в эксплуатационной колонне и последующую гидромониторную обработку призабойной зоны пласта (ПЗП) с формированием каверн путем создания избыточного давления в перфорационном устройстве и подачи жидкости вскрытия через по меньшей мере одну гидромониторную насадку, которой оснащено перфорационное устройство, в виде струи, направленной в сформированную щель.

При этом при осуществлении известных способов в процессе формирования щелей жидкость вскрытия постоянно циркулирует через гидромониторные насадки, что приводит к постоянным перепадам давления и вызывает следующие негативные последствия: неравномерность и длительность вскрытия, ускоренный износ насосного агрегата вследствие перепадов давления и необходимости постоянного нагнетания давления, ускоренный износ и засорение гидромониторных насадок.

Предлагаемое изобретение позволяет устранить указанные недостатки или уменьшить их за счет применения механизма перекрытия гидромониторных насадок для предотвращения преждевременной циркуляции через них рабочей жидкости и задержки их открытия до определенного технологического момента, например до момента, когда перфорационные щели уже сформированы и имеется возможность формировать каверны.

Наиболее близкими к предложенному способу и вариантам устройства для его осуществления являются способ гидромониторной обработки ПЗП и устройство, раскрытые в патенте на изобретение RU 2241822 С1, МПК 7 Е21В 43/112, 10.12.2004, которые принимаются в качестве прототипов.

Способ по прототипу включает спуск перфорационного устройства в скважину с помощью НКТ, геофизическую привязку перфорационного устройства к заданному интервалу перфорации, ступенчатое создание давления в НКТ, прорезание щели в колонне с помощью режущего инструмента, воздействующего на колонну при перемещении перфорационного устройства с помощью НКТ вверх-вниз. При этом гидромониторную насадку перекрывают фиксированной срезным штифтом втулкой с гнездом под шар, что исключает попадание посторонних предметов в отверстие гидромониторной насадки до начала размыва каверны. Контроль за процессом формирования щели осуществляется на поверхности по показаниям индикатора веса. После окончательного формирования щели в перфорационное устройство сбрасывают шар, который перекрывает отверстие сдвижной втулки и гидроканал перфорационного устройства, создают избыточное давление в перфорационном устройстве до 18-20 МПа, сдвижная втулка перемещается вниз до опорного штуцера, при этом промывочный канал гидромониторной насадки открывается, и жидкость через гидромониторную насадку подается в щель, сформированную в обсадной трубе, размывая цементный камень и породу за колонной до образования каверны. При этом перфорационное устройство также перемещают вдоль всей сформированной щели с помощью НКТ вверх-вниз. По окончании работ давление в НКТ снижают до нуля и возвратная пружина перемещает режущий узел перфорационного устройства в исходное транспортное положение. Затем открывают отверстия циркуляционного клапана устройства для слива жидкости, после чего производят подъем перфорационного устройства из скважины.

Недостаток способа по прототипу заключается в том, что после среза штифта, фиксирующего втулку, и открытия гидромониторной насадки для гидромониторной обработки невозможно перекрыть ее вторично после завершения гидромониторной обработки заданного интервала без подъема перфорационного устройства на поверхность и замены фиксирующего срезного штифта. Поэтому перфорация дополнительных интервалов за один спуско-подъем может быть осуществлена только с открытой гидромониторной насадкой, следовательно, эффект перекрытия гидромониторной насадки и стабилизации давления достигается лишь на одном, самом первом интервале перфорации.

Задача предлагаемой группы изобретений - улучшение технологических характеристик способа, повышение качества вскрытия колонны, снижение нагрузок на насосные агрегаты, гидромониторные насадки и перфорационное устройство в целом, увеличение срока их эксплуатации.

Указанный технический результат достигается за счет предотвращения преждевременной циркуляции жидкости вскрытия через гидромониторные насадки, обеспечения контролируемого автоматического регулирования подачи жидкости вскрытия в гидромониторные насадки, возможности перекрытия и открытия гидромониторных насадок несколько раз в зависимости от количества рабочих интервалов за один спуско-подъем.

Согласно способу по изобретению в начале работы по формированию щели гидромониторную насадку перекрывают во избежание циркуляции через нее жидкости вскрытия, постепенно создают в НКТ рабочее давление и производят формирование перфорационной щели, открытие гидромониторной насадки осуществляют после начала процесса формирования перфорационной щели, определяемого моментом внедрения режущего инструмента перфорационного устройства в стенку колонны, либо непосредственно после вскрытия колонны, определяемого моментом выдвижения режущего инструмента на расстояние, достаточное для его выхода за пределы стенки колонны, либо в момент максимального выхода режущего инструмента за стенку колонны, затем, когда щель сформирована, повышают давление в НКТ для создания эффекта струи на выходе жидкости вскрытия из гидромониторной насадки и производят гидромониторную обработку ПЗП и формирование каверн, по окончании гидромониторной обработки давление в НКТ снижают, подачу жидкости через гидромониторные насадки прекращают за счет их перекрытия, после чего перфорационное устройство поднимают на поверхность либо перемещают на новый интервал перфорации, при необходимости способ осуществляют неоднократно на одном или нескольких интервалах перфорации без дополнительных операций по спуску и подъему перфорационного устройства.

Перекрытие гидромониторных насадок приводит к невозможности выхода жидкости вскрытия из внутренней полости перфорационного устройства и, как следствие, к стабилизации давления в нем. Работа при стабильном давлении влечет отсутствие необходимости его постоянного нагнетания, что существенно снижает нагрузку на насосный агрегат. Отсутствие циркуляции жидкости в гидромониторных насадках, в перфораторе и в НКТ уменьшает их износ.

Момент открытия гидромониторных насадок определяется в зависимости от желаемой и необходимой степени экономии ресурса насосного агрегата по нагнетанию давления, а также в зависимости от технических характеристик вскрываемой колонны.

Экономический эффект начинает проявляться даже при незначительной задержке открытия гидромониторной насадки относительно общего времени формирования щели. Учитывая, что внедрение режущего инструмента в колонну на каждый миллиметр занимает около 30-60 минут работы по накату щели путем перемещения перфорационного устройства на НКТ вверх-вниз, а толщина стенки колонны составляет, например, 10 мм, даже задержка открытия гидромониторов на 10-20% от общего времени формирования щели позволяет использовать насосный агрегат в щадящем режиме работы в течение 1-2 часов.

Оптимальным моментом открытия гидромониторов является момент вскрытия колонны, то есть момент прорезания стенки колонны и выхода режущего инструмента за нее. В этом случае жидкость вскрытия, выходя из гидромонитора, позволяет режущему инструменту более эффективно разрушать цементное кольцо за колонной.

Открытие гидромониторной насадки может осуществляться также в момент максимального выхода режущего инструмента за стенку колонны, то есть в момент его радиального выдвижения на наибольшее возможное расстояние, или незадолго до этого. Такое отсроченное открытие гидромонитора, осуществляемое автоматически, позволяет по факту снижения давления в НКТ судить, что режущий инструмент максимально выдвинулся, то есть колонна гарантированно вскрыта. В случае двухсторонних перфораторов это особенно актуально, так как позволяет установить факт гарантированного формирования в колонне второй щели.

Для осуществления способа по изобретению с достижением названного технического результата предлагается два варианта устройства.

Согласно первому варианту исполнения устройство представляет собой гидромеханический щелевой перфоратор, имеющий рабочий узел, включающий выполненные в корпусе поршень для выдвижения режущего инструмента и по меньшей мере одну гидромониторную насадку, которая выполнена с возможностью сообщения с полостью корпуса, отличающийся тем, что поршень расположен в корпусе таким образом, что при отсутствии давления на него перекрывает канал гидромониторной насадки, при этом расстояние (Р) между поверхностью поршня, на которую подается давление, и гидромониторной насадкой определяется исходя из следующих соотношений:

Рп1<Р,

либо Рп2 Р<Рп3,

либо Р=Рп3,

где Р - расстояние (Р) между поверхностью поршня, на которую подается давление, и гидромониторной насадкой,

Рп1 - расстояние рабочего хода поршня, совершаемого при выдвижении режущего инструмента до момента его внедрения в стенку обсадной колонны,

Рп2 - расстояние рабочего хода поршня, совершаемого при выдвижении режущего инструмента на расстояние, достаточное для его выхода за пределы стенки колонны,

Рп3 - расстояние рабочего хода поршня, совершаемого при выдвижении режущего инструмента на максимальное расстояние, возможное для применяемой конструкции перфорационного устройства,

с возможностью открытия гидромониторной насадки при совершении поршнем соответствующего рабочего хода и закрытия гидромониторной насадки при возвращении поршня в исходное положение.

Согласно второму варианту исполнения устройство представляет собой гидромеханический щелевой перфоратор, имеющий рабочий узел, включающий выполненные в корпусе поршень для выдвижения режущего инструмента и по меньшей мере одну гидромониторную насадку, которая выполнена с возможностью сообщения с полостью корпуса, отличающийся тем, что поршень снабжен механизмом перекрытия отверстия гидромониторной насадки, например, в виде расположенного поверх поршня золотника, причем при отсутствии давления на поршень кромка перекрывающего механизма находится от гидромониторной насадки на расстоянии (Р), которое определяется исходя из следующих соотношений:

Рп1<Р,

либо Рп2 Р<Рп3,

либо Р=Рп3,

где Р - расстояние (Р) между кромкой перекрывающего механизма и гидромониторной насадкой при отсутствии давления на поршень,

Рп1 - расстояние рабочего хода поршня, совершаемого при выдвижении режущего инструмента до момента его внедрения в стенку обсадной колонны,

Рп2 - расстояние рабочего хода поршня, совершаемого при выдвижении режущего инструмента на расстояние, достаточное для его выхода за пределы стенки колонны,

Рп3 - расстояние рабочего хода поршня, совершаемого при выдвижении режущего инструмента на максимальное расстояние, возможное для применяемой конструкции перфорационного устройства,

с возможностью открытия гидромониторной насадки при совершении поршнем соответствующего рабочего хода и закрытия гидромониторной насадки при возвращении поршня в исходное положение.

В отличие от устройства-прототипа, которое содержит механизм предварительного перекрытия гидромониторной насадки в виде фиксированной срезным штифтом втулки с гнездом под шар и после среза штифта на первом рабочем интервале перфорации нуждается в дополнительном подъеме на поверхность для восстановления перекрывающего механизма, предлагаемые варианты устройств основаны на перекрытии гидромониторной насадки поршнем перфорационного устройства либо механизмом перекрытия, выполненным в одном блоке с поршнем, что позволяет закрывать или открывать гидромонитор автоматически путем воздействия давлением на поршень.

Выполнение устройства с механизмом перекрытия в одном блоке с поршнем более предпочтительно, чем с перекрытием гидромонитора непосредственно поршнем, поскольку перекрывающую деталь механизма, например золотник, дешевле и проще заменить при износе, нежели поршень.

Гидромониторная насадка в обоих вариантах устройства может быть выполнена сориентированной в сторону выдвигающегося режущего инструмента под острым углом к оси перфоратора, что обеспечивает лучшее попадание гидромониторной струи в формируемую щель. При этом величина указанного острого угла предпочтительно должна превышать величину угла, образуемого осью перфоратора и прямой, соединяющей гидромониторную насадку с крайней точкой выдвижения режущего инструмента, во избежание воздействия гидромониторной струи на режущий инструмент и его преждевременного износа.

За счет простоты конструкции устройства обеспечивается его надежность и технологичность.

На фиг.1-2 представлен первый из предлагаемых вариантов устройства, согласно которому гидромониторная насадка перекрывается поршнем (на примере двухстороннего щелевого перфоратора):

фиг.1 - устройство в исходном транспортном положении,

фиг.2 - устройство в момент открытия гидромониторной насадки.

На фиг.3-4 представлен второй предлагаемый вариант устройства, согласно которому гидромониторная насадка перекрывается механизмом перекрытия (золотником) (на примере двухстороннего щелевого перфоратора):

фиг.3 - устройство в исходном транспортном положении,

фиг.4 - устройство в момент открытия гидромониторной насадки.

Устройство по первому варианту содержит выполненные в корпусе 1 поршень 2 для выдвижения режущего инструмента 3 и по меньшей мере одну гидромониторную насадку 4, гидромониторная насадка 4 выполнена с возможностью сообщения с полостью 5 корпуса 1, куда под давлением поступает жидкость вскрытия, приводящая в движение поршень 2, выдвигающий режущий инструмент 3, поршень 2 расположен в корпусе 1 таким образом, что при отсутствии давления на него перекрывает канал гидромониторной насадки 4, при этом расстояние 9 между поверхностью 7 поршня 2, на которую подается давление, и гидромониторной насадкой 4 определяется исходя из следующих соотношений:

Рп1<Р,

либо Рп2 Р<Рп3,

либо Р=Рп3,

где Р - расстояние 9 между поверхностью 7 поршня 2, на которую подается давление, и гидромониторной насадкой 4,

Рп1 - расстояние рабочего хода поршня 2, совершаемого при выдвижении режущего инструмента 3 до момента его внедрения в стенку обсадной колонны,

Рп2 - расстояние рабочего хода поршня 2, совершаемого при выдвижении режущего инструмента 3 на расстояние, достаточное для его выхода за пределы стенки колонны,

Рп3 - расстояние рабочего хода поршня 2, совершаемого при выдвижении режущего инструмента 3 на максимальное расстояние, возможное для применяемой конструкции перфорационного устройства,

с возможностью открытия гидромониторной насадки 4 при совершении поршнем 2 соответствующего рабочего хода и закрытия гидромониторной насадки 4 при возвращении поршня 2 в исходное положение (фиг.1).

Устройство по второму варианту содержит выполненные в корпусе 1 поршень 2 для выдвижения режущего инструмента 3 и по меньшей мере одну гидромониторную насадку 4, гидромониторная насадка 4 выполнена с возможностью сообщения с полостью 5 корпуса 1, куда под давлением поступает жидкость вскрытия, приводящая в движение поршень 2, выдвигающий режущий инструмент 3, поршень 2 снабжен механизмом 6 перекрытия отверстия гидромониторной насадки 4, например, в виде расположенного поверх поршня 2 золотника 6, причем при отсутствии давления на поршень 2 кромка 8 перекрывающего механизма 6 находится от гидромониторной насадки 4 на расстоянии 9, которое определяется исходя из следующих соотношений:

Рп1<Р,

либо Рп2 Р<Рп3,

либо Р=Рп3,

где Р - расстояние 9 между кромкой 8 перекрывающего механизма 6 и гидромониторной насадкой 4 при отсутствии давления на поршень 2,

Рп1 - расстояние рабочего хода поршня 2, совершаемого при выдвижении режущего инструмента 3 до момента его внедрения в стенку обсадной колонны,

Рп2 - расстояние рабочего хода поршня 2, совершаемого при выдвижении режущего инструмента 3 на расстояние, достаточное для его выхода за пределы стенки колонны,

Рп3 - расстояние рабочего хода поршня 2, совершаемого при выдвижении режущего инструмента 3 на максимальное расстояние, возможное для применяемой конструкции перфорационного устройства,

с возможностью открытия гидромониторной насадки 4 при совершении поршнем 2 соответствующего рабочего хода и закрытия гидромониторной насадки 4 при возвращении поршня 2 в исходное положение (фиг.3).

Устройство работает следующим образом.

Совершая рабочий ход при выдвижении режущего инструмента 3, поршень 2 двигается вдоль корпуса 1 перфорационного устройства, и, когда его поверхность 7 либо кромка 8 соединенного с ним перекрывающего звена 6 совпадают с уровнем расположенной в корпусе гидромониторной насадки 4, происходит сообщение канала гидромониторной насадки 4 с внутренней полостью 5 корпуса 1, заполненной рабочей жидкостью. Жидкость выходит через насадку 4, реализуя гидромониторный эффект (фиг.2, 4).