устройство для обработки пластов в скважине

Формула изобретения

Устройство для обработки пластов в скважине, содержащее пакер, включающий проходной в осевом направлении корпус с фигурным пазом на наружной поверхности, обойму со штифтом и шлипсами, причем штифт установлен в фигурный паз и имеет возможность перемещения по траектории фигурного паза, и эластичную манжету, разобщитель, включающий ствол с верхней и нижней резьбой, и золотник, расположенный внутри ствола и соединенный с ним срезными элементами, золотник снабжен расточкой, в которой установлено стопорное кольцо, взаимодействующее с кольцевой проточкой, расположенной в нижней части ствола, и седлом для запорного элемента, сбрасываемого вовнутрь устройства перед обработкой верхнего пласта, и нижнее кольцо, навернутое на нижнюю резьбу ствола, отличающееся тем, что фигурный паз на наружной поверхности проходного корпуса пакера выполнен в виде поперечной и продольной проточек, расположенных перпендикулярно друг к другу и соединенных между собой в нижней части продольной проточки, причем снизу золотник разобщителя снабжен осевым центральным отверстием, при этом расточка, в которую установлено стопорное кольцо, выполнена на внутренней поверхности золотника, а нижнее кольцо выполнено в виде крышки, навернутой на нижнюю резьбу ствола разобщителя, причем снизу крышка снабжена наружной резьбой для соединения с корпусом проходного пакера, а по центру крышка снабжена жесткозакрепленным на ней стержнем, направленным в сторону золотника, а также осевыми отверстиями по окружности, при этом пропускная способность отверстий крышки больше пропускной способности центрального отверстия золотника, а стержень имеет возможность герметичного взаимодействия с осевым центральным отверстием золотника, после посадки запорного элемента на седло золотника и осевого перемещения золотника относительно ствола разобщителя, причем кольцевая проточка, имеющая возможность взаимодействия со стопорным кольцом, выполнена на наружной поверхности стержня в виде кольцевых насечек, направленных противоположно стопорному кольцу, при этом запорный элемент выполнен в виде полусферы, жесткозакрепленной сверху со штоком, оснащенным уплотнительными дисками.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для разобщения пластов в скважине при раздельной закачке в них различных реагентов.

Известно устройство для обработки пластов в скважине (патент RU № 2282017, МПК Е21В 33/12, опубл. в бюл. № 23 от 20.08.2006 г.), содержащее пакер, включающий проходной корпус и эластичную манжету, разобщитель, включающий ствол с радиальными каналами и внутренней цилиндрической выборкой, золотник с двумя рядами радиальных каналов, разделенных поперечной глухой перегородкой, и вставленный в ствол, установленную внутри золотника втулку с посадочным седлом для шара, сбрасываемого внутрь устройства перед обработкой второго пласта, при этом верхний ряд радиальных каналов золотника находится напротив радиальных каналов ствола, а ствол, золотник и втулка соединены между собой дифференциальными срезными элементами, причем перед обработкой второго пласта верхние и нижние ряды радиальных каналов золотника сообщаются между собой посредством внутренней цилиндрической выборки ствола, гидравлически соединяя внутреннее пространство насосно-компрессорных труб (НКТ) с внутренним пространством корпуса пакера, при этом устройство выше разобщителя на расстоянии от пакера, превышающем толщину верхнего пласта, снабжено дополнительным пакером, состоящим из цилиндра сверху и дополнительной эластичной манжеты, установленной на соединенном с разобщителем посредством муфты полом основании, с которым вверху жестко соединен поршень, и жестко связанного с колонной насосно-компрессорных труб цилиндра, в который телескопически установлен поршень с возможностью осевого перемещения вверх, образующего с поршнем полость, гидравлически соединенную с внутренним пространством насосно-компрессорных труб, причем цилиндр выполнен с возможностью взаимодействия с дополнительной эластичной манжетой.

Недостатками данного устройства являются:

- во-первых, сложность конструкции, обусловленная наличием большого количества узлов и деталей;

- во-вторых, сложность и дороговизна изготовления как самого устройства, так и проточек на наружной поверхности проходного корпуса пакера;

- в-третьих, ограниченное кольцевое пространство разобщителя между стволом и золотником, в связи с чем через данное кольцевое пространство невозможно закачать высоковязкий химический состав.

Также известно устройство для обработки пластов в скважине (патент RU № 2282710, МПК Е21В 33/12, опубл. в бюл. № 24 от 27.08.2006 г.), содержащее пакер, включающий проходной корпус и эластичную манжету, разобщитель, включающий ствол с радиальными каналами и внутренней цилиндрической выборкой, вставленный в ствол золотник с двумя рядами радиальных каналов, разделенных поперечной глухой перегородкой, установленную внутри золотника втулку с посадочным седлом для шара, сбрасываемого внутрь устройства перед обработкой второго пласта, при этом верхний ряд радиальных каналов золотника находится напротив радиальных каналов ствола, а ствол, золотник и втулка соединены между собой дифференциальными срезными элементами, причем перед обработкой второго пласта верхние и нижние ряды радиальных каналов золотника сообщаются между собой посредством внутренней цилиндрической выборки ствола, гидравлически соединяя внутреннее пространство насосно-компрессорных труб с внутренним пространством корпуса пакера, при этом устройство выше разобщителя на расстоянии от пакера, превышающем толщину верхнего пласта, снабжено дополнительным пакером, состоящим из верхнего упора с цилиндрическим сужением, нижнего упора и дополнительной эластичной манжеты, установленной на цилиндрическом сужении верхнего упора, который телескопически установлен с возможностью осевого перемещения вниз в нижний упор, относительно которого зафиксирован срезным элементом, при этом нижний упор выполнен с возможностью взаимодействия с дополнительной эластичной манжетой, верхний упор снабжен гидравлическими якорями, поджатыми внутрь и взаимодействующими с обсадной колонной под давлением, создаваемым во внутреннем пространстве насосно-компрессорных труб.

Недостатками данного устройства являются:

- во-первых, сложность конструкции, обусловленная наличием большого количества узлов и деталей;

- во-вторых, сложность и дороговизна изготовления как самого устройства, так и проточек на наружной поверхности проходного корпуса пакера;

- в-третьих, ограниченное кольцевое пространство разобщителя между стволом и золотником, в связи с чем через данное кольцевое пространство невозможно закачать высоковязкий химический состав.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для обработки пластов в скважине (патент RU № 2234589, МПК Е21В 33/12, опубл. в бюл. № 23 от 20.08.2004 г.), содержащее пакер, включающий корпус, обойму со шлипсами и штифтом, причем штифт установлен в фигурный паз и имеет возможность перемещения по траектории фигурного паза и эластичную манжету, разобщитель, включающий ствол и золотник, снабженные радиальными каналами, при этом корпус пакера выполнен проходным в осевом направлении, а золотник разобщителя расположен внутри его ствола, соединен с ним срезными элементами, заглушен снизу и имеет по наружной поверхности выше заглушенного участка меньший диаметр, образующий со стволом полость, сообщающуюся через радиальные каналы с внутренним пространством разобщителя, снабжен конусной расточкой, в которой установлено стопорное кольцо, взаимодействующее с кольцевой проточкой, расположенной в нижней части ствола, и седлом для запорного элемента, выполненного в виде шара, сбрасываемого вовнутрь устройства перед обработкой второго пласта.

Недостатками конструкции данного устройства, которые выявлены на основе опыта его практического применения на протяжении 8 лет, являются:

- во-первых, оно не позволяет производить поинтервальную обработку пластов в горизонтальной скважине, так как запорный элемент, выполненный в виде шара, сбрасываемый с устья, не садится на седло золотника, поэтому невозможно отключить нижележащий относительно устья скважины пласт горизонтальной скважины и произвести обработку вышележащего относительно устья скважины пласта горизонтальной скважины;

- во-вторых, оно не позволяет производить обработку пластов с применением вязких химических составов, таких как гель, водонабухающий полимер (ВНП) и т.д., это происходит вследствие такого недостатка конструкции, как небольшое кольцевое пространство разобщителя между стволом и золотником, поэтому данное кольцевое пространство забивается высоковязким химическим составом и далее не продавливается, в связи с чем устройство в дальнейшем не выполняет свои функции, что сужает технологические возможности работы устройства;

- в-третьих, на нижнем конце ствола разобщителя выполнены две резьбы: первая - снаружи, в которую ввернута верхняя опора пакера, а вторая резьба выполнена изнутри ствола и в нее ввернуто нижнее кольцо, поэтому нижняя часть ствола является местом концентрации напряжения растяжения-сжатия и, как показал практический опыт, резьба между верхней опорой пакера и стволом разобщителя вытягивается (не заворачивается калибр) после максимум пяти спуско-подъемных операций устройства, после чего требуется замена ствола разобщителя, поэтому значительно снижается долговечность работы устройства;

- в-четвертых, низкая надежность работы устройства, связанная с тем, что в процессе спуска устройства в скважину и в процессе обработки нижнего пласта возможно отложение грязи, осадков в кольцевом пространстве между золотником и стволом разобщителя, вследствие чего при последующем перемещении золотника относительно ствола стопорное кольцо может не зафиксироваться в кольцевой проточке ствола разобщителя, так как оно выполнено слишком низко. В результате невозможно герметично отсечь нижний пласт и работать с верхним пластом;

- в-пятых, снаружи на корпусе пакера по всему периметру выполнено большое количество проточек, что приводит к увеличению затрат на изготовление данного устройства.

Задачами изобретения являются разработка конструкции устройства, позволяющего производить поинтервальную обработку пластов в горизонтальной скважине и расширение технологических возможностей работы устройства, а также повышение долговечности, надежности работы устройства, а также снижение стоимости его изготовления.

Поставленная задача решается устройством для обработки пластов в скважине, содержащим пакер, включающий проходной в осевом направлении корпус с фигурным пазом на наружной поверхности, обойму со штифтом и шлипсами, причем штифт установлен в фигурный паз и имеет возможность перемещения по траектории фигурного паза, и эластичную манжету, разобщитель, включающий ствол с верхней и нижней резьбой, и золотник, расположенный внутри ствола и соединенный с ним срезными элементами, золотник снабжен расточкой, в которой установлено стопорное кольцо, взаимодействующее с кольцевой проточкой, расположенной в нижней части ствола, и седлом для запорного элемента, сбрасываемого вовнутрь устройства перед обработкой второго пласта, и нижнее кольцо, навернутое на нижнюю резьбу ствола.

Новым является то, что фигурный паз на наружной поверхности проходного корпуса пакера выполнен в виде поперечной и продольной проточек, расположенных перпендикулярно друг к другу и соединенных между собой в нижней части продольной проточки, причем снизу золотник разобщителя снабжен осевым центральным отверстием, при этом расточка, в которую установлено стопорное кольцо, выполнена на внутренней поверхности золотника, а нижнее кольцо выполнено в виде крышки, навернутой на нижнюю резьбу ствола разобщителя, причем снизу крышка снабжена наружной резьбой для соединения с корпусом проходного пакера, а по центру крышка снабжена жесткозакрепленным на ней стержнем, направленным в сторону золотника, а также осевыми отверстиями по окружности, при этом пропускная способность отверстий крышки больше пропускной способности центрального отверстия золотника, а стержень имеет возможность герметичного взаимодействия с осевым центральным отверстием золотника, после посадки запорного элемента на седло золотника и осевого перемещения золотника относительно ствола разобщителя, причем кольцевая проточка, имеющая возможность взаимодействия со стопорным кольцом, выполнена на наружной поверхности стержня в виде кольцевых насечек, направленных противоположно стопорному кольцу, при этом запорный элемент выполнен в виде полусферы, жесткозакрепленной сверху со штоком, оснащенным уплотнительными дисками.

На фиг.1 изображена нижняя часть предлагаемого устройства в продольном разрезе.

На фиг.2 - развертка формы и направления фигурного паза корпуса пакера.

На фиг.3 изображена верхняя часть предлагаемого устройства в продольном разрезе.

На фиг.4 изображен золотник в зафиксированном относительно ствола нижнем положении.

Устройство состоит из пакера и разобщителя.

Пакер содержит проходной в осевом направлении корпус 1 (фиг.1) с фигурным пазом 2 на наружной поверхности (фиг.1). Фигурный паз 2 (фиг.2) на наружной поверхности проходного корпуса 1 пакера выполнен в виде продольной 3 и поперечной 3' проточек, расположенных перпендикулярно друг к другу и соединенных между собой в нижней части продольной проточки 3, поэтому в сравнении с прототипом уменьшается количество проточек фигурного паза и, как следствие, снижается стоимость изготовления устройства.

На корпусе 1 (фиг.1) с возможностью осевого перемещения установлена обойма 4, связанная снизу с кольцом 5, соединенным с направляющим штифтом 6, размещенным в поперечной проточке 3' фигурного паза 2. В верхней части обоймы 4 установлены подпружиненные шлипсы 7 со стопорным элементом 7'. На корпусе 1 выше шлипсов 7 находится нижняя опора 8, эластичная манжета 9 и верхняя опора 10, жестко соединенная с корпусом 1 пакера. Длина поперечной проточки 3' фигурного паза 2 соответствует длине развертки проходного корпуса 1 под углом 180°. Длина продольной проточки 3 соответствует высоте перемещений колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) 10 (см. фиг.3) во время проведения спуско-подъемных операций плюс 0,5 метра.

С верхней опорой 11 (см. фиг.1) пакера соединен ствол 12 (см. фиг.3) разобщителя, снабженный радиальными каналами 13. Внутри ствола 12 напротив радиальных каналов 13 установлен золотник 14, соединенный со стволом срезными элементами 15.

Снизу золотник 14 разобщителя снабжен осевым центральным отверстием 16, при этом расточка 17, в которую установлено стопорное кольцо 18, выполнена на внутренней поверхности золотника 14. Нижнее кольцо выполнено в виде крышки 19, навернутой на нижнюю резьбу 20 ствола 12 разобщителя. Снизу крышка 19 снабжена наружной резьбой 21 (фиг.1) для соединения с проходным корпусом 1 пакера.

Увеличивается долговечность предлагаемого устройства, так как резьбы разнесены по высоте нижнего кольца, выполненного в виде крышки.

По центру крышка 19 (фиг.3) снабжена жесткозакрепленным на ней стержнем 22, направленным в сторону золотника 13, а также осевыми отверстиями 23 по окружности.

Количество отверстий 23 выбирают с условием, чтобы пропускная способность (Q₁) отверстий 23 была больше пропускной способности (Q₂) центрального отверстия 16 золотника 14 (Q₁>Q₂), что позволяет производить закачку вязких химических реагентов. Пропускная способность (Q₂) центрального отверстия 16 золотника 14 определяется размерами его поперечного сечения (диаметром проходного сечения), которое определяется опытным путем исходя из предполагаемой вязкости закачиваемого химического реагента.

В сравнении с прототипом за счет исключения кольцевого пространства между золотником и стволом разобщителя из конструкции устройства увеличивается пропускная способность устройства, и оно позволяет за один спуск оборудования произвести как обработку, так и их очистку одного или нескольких интервалов пласта кислотными составами различной вязкости.

Стержень 22 имеет возможность герметичного взаимодействия с осевым центральным отверстием 16 золотника 14, после посадки запорного элемента 24 на посадочное седло 17 золотника 14 и осевого перемещения золотника 14 вниз относительно ствола 12 разобщителя. Кольцевая проточка, взаимодействующая со стопорным кольцом 18, выполнена на наружной поверхности стержня 22 в виде кольцевых насечек 25 противоположного направления стопорному кольцу 18 (см. фиг.4), что обеспечивает надежную фиксацию золотника относительно ствола разобщителя.

Запорный элемент 24 выполнен в виде полусферы 25, жесткозакрепленной сверху со штоком 26, оснащенным уплотнительными дисками 27, например двумя, как показано на фигуре 3. Полусфера 25 и шток могут быть выполнены в виде целой детали, как показано на фигуре 3. Уплотнительные диски 27 выполнены в виде плоских резиновых элементов, имеющих возможность герметичного взаимодействия с внутренними поверхностями колонны НКТ 10 и золотника 14 и при перемещении запорного элемента вниз до взаимодействия с седлом 28 золотника 14 под действием избыточного гидравлического давления над запорным элементом 24.

С целью исключения несанкционированных перетоков жидкости сопрягаемые поверхности золотника 14 (см. фиг.3) снабжены уплотнительными элементами (на фиг.1-4 не показано).

Устройство работает следующим образом.

Устройство для обработки пластов в скважинах, в том числе имеющих наклонные и горизонтальные стволы, позволяет производить закачку различных химических реагентов (кислот, углеводородных растворителей) различной вязкости с целью увеличения добывных возможностей добывающих скважин и увеличения приемистости нагнетательных скважин за счет улучшения фильтрационных характеристик призабойной зоны в результате физико-химического воздействия. Устройство в собранном виде на колонне НКТ 10 (фиг.3) спускают на необходимую глубину в горизонтальную скважину для обработки пластов в скважине, т.е. поинтервальной обработки пласта различными химическими реагентами, например кислотными составами различной вязкости.

Например, для закачки вязкого загущенного кислотного состава в близлежащий (нижний) к забою скважины пласт горизонтальной скважины и соляно-кислотной обработки близлежащего (верхнего) к устью скважины пласта горизонтальной скважины. Размещают устройство между пластами в горизонтальной скважины, которые необходимо обработать кислотными составами различной вязкости. Затем производят посадку пакера, для этого устройство сначала поворачивают по направлению часовой стрелки на угол 180°, а затем опускают на 1,0 м.

В результате этого штифт 6 (фиг.2) из поперечной проточки 3' фигурного паза 2 перемещается в продольную проточку 3 (перед спуском устройства в скважину штифт 6 устанавливают в крайней левой нижней части поперечной проточки 3' фигурного паза 2 (как показано на фиг.2). Колонну НКТ 10 (фиг.3) опускают вниз, при этом детали 4, 5, 6, 7, 7' (см. фиг.1) остаются на месте, т.к. пружины 29 прижимают гладкую часть шлипсов 7 к стенкам обсадной колонны (не показана), а детали 1, 8, 9, 10 и детали разобщителя двигаются вниз до тех пор, пока конусная часть нижней опоры 8 не упрется в шлипсы 7. Под действием веса НКТ шлипсы 7 расходятся в радиальном направлении до соприкосновения их зубчатой части с обсадной колонной, а эластичная манжета 9 под действием нагрузки сжимается, надежно перекрывая заколонное пространство скважины.

После этого приступают к обработке нижнего пласта горизонтальной скважины. Для этого вязкий загущенный кислотный состав по НКТ 26 через центральное отверстие 16 (фиг.3) золотника 14, осевые отверстия 23 крышки 19 и внутреннее пространство 30 (фиг.1) проходного корпус 1 пакера закачивают и продавливают в нижележащий относительно устья скважины интервал пласта горизонтальной скважины и оставляют на реакцию.

Затем приступают к обработке вышележащего относительно устья скважины пласта горизонтальной скважины. Для этого вовнутрь НКТ 10 (фиг.3) бросают запорный элемент 24 полусферой 25 вниз и создают в колонне НКТ 10 над запорным элементом 24 избыточное гидравлическое давление, например 3 МПа, которое приводит к герметичному перемещению запорного элемента 24 по колонне НКТ в горизонтальной скважине благодаря уплотнительным дискам 27, взаимодействующим с внутренними поверхностями колонны НКТ 10 и золотника 14. Резкий рост избыточного давления в колонне НКТ 10 свидетельствует о том, что полусфера 25 запорного элемента 24 вступило во взаимодействие с седлом 28 золотника 14, т.е. запорный элемент садится на седло 28 и перекрывает центральное отверстие 16 золотника 14.

В колонне НКТ повышают давление, в результате чего под давлением, например 6 МПа, срезные элементы 15 разрушаются, золотник 14 перемещается вниз относительно ствола 12 разобщителя. Стопорное кольцо 17 (см. фиг.4) входит в кольцевые насечки 25 стержня 22 и по ним перемещается вниз до взаимодействия нижнего торца 31 золотника 14 (см. фиг.3) с крышкой 19 и фиксируется в нижнем положении (см. фиг.4), при этом открываются радиальные каналы 13.

После этого по колонне НКТ 10 (см. фиг.3) через радиальные каналы 13 ствола 12 разобщителя производят закачку реагента - 15% раствора соляной кислоты (15% HCL) в верхний пласт горизонтальной скважины и оставляют на реакцию.

После выдержки производят свабирование путем снижения уровня, при этом перемещение золотника 14 относительно ствола 12 разобщителя исключается благодаря фиксации стопорного кольца 18 в кольцевых насечках 25 стержня 22 разобщителя.

После обработки вышележащего относительно устья скважины интервала пласта горизонтальной скважины колонну НКТ 10 поднимают вверх на 1,0 м и поворачивают против часовой стрелки на угол 180°, при этом корпус 1 пакера также поднимается вверх, нижняя опора 8 (см. фиг.1) выходит из зацепления со шлипсами 7, нагрузка на эластичную манжету 9 снимается, и она принимает первоначальное положение, а устройство получает транспортное положение и может быть переведено в другой интервал скважины или поднято на поверхность.

Предлагаемое устройство позволяет произвести поинтервальную обработку пластов в горизонтальной скважине, так как гарантированно обеспечивает посадку запорного элемента на седло золотника, повышает долговечность и надежность работы устройства, имеет расширенные технологические возможности работы, при этом снижается стоимость изготовления устройства.