Способ гидроразрыва пласта и повышения проницаемости горных пород и оборудование для его осуществления (варианты)

 

Изобретение относится к горному делу, нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для добычи полезных ископаемых через буровые скважины после проведения гидроразрыва пласта и повышения проницаемости горных пород в макрообъемах в околоскважинном пространстве. Обеспечивает ограничение зоны охвата волновым воздействием в заданных пределах толщины пласта. Сущность изобретения: по способу осуществляют бурение скважины на заданную глубину. Испытывают пласт на приток. Размещают на устье скважины наземный насосный агрегат для подачи рабочего агента в скважину. Вскрывают пласт полезного ископаемого. Воздействуют ударными волнами с помощью гидроударного устройства с передачей их по жидкому волноводу в скважине с последующим поворотом волны от отражателя в пласт. Согласно изобретению дополнительно на стенках скважины в пределах толщины интересующего пласта выполняют верхний и нижний окружные и прямолинейные концентраторы напряжений с помощью предварительно спускаемого в скважину режущего инструмента. Затем спускают в скважину в составе буровой колонны с системой радиальных и продольных каналов золотниковое устройство, втулку, подпружиненный клапан и сдвоенный пакер, предназначенные для изоляции одного из окружных концентраторов напряжений сверху и снизу его. После спускают в составе насосно-компрессорных труб с системой радиальных и продольных каналов переводник с подпружиненной втулкой, гидроударное устройство, насос-мультипликатор, ресивер высокого давления с управляемым сбрасывающим клапаном - генератор высокого давления - силовой гидроцилиндр с переключателем давления. Включают в работу с помощью наземного насосного агрегата гидроударное устройство. После достижения требуемой величины давления рабочего агента во внутрипакерных пространствах его величину повышают с помощью гидроударного устройства и наземного насосного агрегата, при котором происходит сдвиг вниз верхнего подпружиненного ступенчатого поршня и фиксация его положения внутри путевого переключателя. Давление во внутрипакерных пространствах запирают и открывают канал к изолированному окружному концентратору напряжений. Нагнетание давления в нем из ресивера высокого давления производят аналогично с помощью гидроударного устройства и наземного насосного агрегата до гидроразрыва пласта. Здесь давление рабочего агента в области окружного концентратора напряжений опускают ниже, чем внутри пакеров. Гидроразрыв пласта фиксируют по резкому падению давления при нагнетании рабочего агента с помощью наземного насосного агрегата. После гидроразрыва пласта производят открепление фиксаторов верхнего подпружиненного ступенчатого поршня путевого переключателя давления с помощью давления, подаваемого на нижний край нижнего подпружиненного ступенчатого поршня-открепителя, и сброс давлений во внутрипакерных пространствах и осуществляют их связь с подпакерным и надпакерным пространствами. После этого устройство принимает свое исходное состояние и его перемещают вдоль скважины так, чтобы пакеры изолировали своими уплотнительными элементами другой окружный концентратор напряжений и все действия с ним повторяют аналогично действиям с первым окружным концентратором напряжений. После этого устройство извлекают на поверхность Земли и опускают устройство, оснащенное двумя парами пакеров, предназначенными для одновременного изолирования верхнего и нижнего окружных концентраторов напряжений и производства гидроразрыва вдоль прямолинейных концентраторов напряжений на стенках скважины. После гидроразрыва по прямолинейным концентраторам напряжений на стенках скважины осуществляют расширение зоны разуплотнения пород в макрообъемах и повышение проницаемости с ликвидацией закрытой пористости путем циклического гидроимпульсного воздействия с помощью давления рабочего агента. Вертикальные трещины не выходят за пределы трещин в горизонтальных плоскостях. 4 с. и 2 з.п. ф-лы, 23 ил.

Изобретение относится к горному делу, нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для добычи полезных ископаемых через буровые скважины. Поставлена техническая задача увеличить проницаемость околоскважинного объема горных пород с его наибольшим радиальным простиранием при одновременном снижении энергозатрат путем обеспечения дилатантной деформации и разуплотнения массива в режиме неравномерного нагружения в макрообъемах.

Известен способ (А.с. СССР 1701896, М.кл. Е 21 В 43/25, 43/28, 30.12.91, БИ 48) повышения проницаемости горных пород на месте залегания, включающий вскрытие пласта полезного ископаемого скважиной, подачу в скважину жидкости и воздействие ударными волнами с передачей их по жидкостному волноводу в скважине с последующим поворотом волны от отражателя в пласт, с помощью которого дополнительно перед воздействием ударными волнами на столб жидкости в скважине воздействуют статическим давлением, превышающим поровое давление в разуплотняемых горных породах не менее чем в 1,5 раза, а амплитуду в ударной волне выбирают равной или большей напряжения сжатия-растяжения для протекания дилатантной деформации в пласте, при этом длину волны устанавливают соизмеримой с мощностью пласта, но не меньше заданной длины трещин, образующихся в массиве L≥λ = T•a≥Δl•n, где L - мощность пласта полезного ископаемого; λ - длина волны; а - скорость волны; Т - длительность волны; Δ1 - прирост длины трещины, образованной за одно прохождение волны; n - количество прохождений волны для обеспечения расчетной длины трещины, причем поперечное сечение жидкостного волновода в направлении к забою в зоне излучения волн изменяют в соответствии с зависимостью где ρ_ж0, а_ж0 - начальные (при подходе к забою скважины) соответственно плотность жидкости и скорость волны в жидкости;
ρ_ж, а_ж, F_ж - соответственно плотность жидкости, скорость волны в жидкости и текущее значение сечения жидкостного волновода на длине волны;
ρ_м, а_м, F_м - соответственно плотность массива, скорость волны в нем, поперечное сечение участка массива, охваченного волной в каждом сечении на длине волны от забоя скважины.

Названный способ обладает недостатками. Например, в нем не оговаривается ограничение на охват волновым воздействием заданной толщины пласта, без которого волновое воздействие будет распространяться на вышележащие и нижележащие пласты, смежные с исследуемым, теряя безвозвратно полезную энергию и вызывая их гидродинамическую связь, что нежелательно в случае испытания нефтеносного пласта, граничащего с водоносными горизонтами. Кроме этого, указанный способ не предусматривает предварительного перед волновым воздействием выполнения на стенках скважины концентраторов напряжений, обеспечивающих гидроразрыв при меньших импульсных давлениях в волноводе.

Наиболее близким аналогом является способ повышения проницаемости горных пород (А. с. СССР 1240112, М.кл. Е 21 В 43/25, 43/28, опубл. 15.05.88, БИ 18), включающий вскрытие пласта полезного ископаемого скважинами, подачу в скважины технологического раствора и воздействие ударных волн, возбуждаемых в верхней части столба раствора с передачей их по волноводу-раствору в скважине, с помощью которого дополнительно ударные волны в зоне пласта поворачивают отражением вдоль пласта путем установки в скважине в интервале пласта отражателя волн, а амплитуду напряжений волн устанавливают из соотношения
0,6σ_у≥σ_волн≥0,3σ_в,
где σ_волн - максимальная амплитуда напряжения в волне;
σ_у - предел упругости скелета горной породы;
σ_в - предел прочности горной породы.

А также для снижения проницаемости вмещающих пласт пород последние дополнительно обрабатывают ударными волнами с амплитудой напряжений выше предела упругости скелета пород.

Указанный способ обладает теми же недостатками, что и предыдущий аналог: отсутствие ограничения на охват волновым воздействием по толщине пласта, отсутствие выполненных концентраторов напряжений на стенках скважины. Кроме этого, указанная в способе обработка пласта импульсным давлением, достигающим 300 МПа и более, может вызвать разрушение обсадной трубы, так как она не рассчитана на такое давление.

Известно устройство (А.с. 1701896, М.кл. Е 21 В 43/28, 43/25) для повышения проницаемости горных пород на месте залегания, включающее акустический отражатель конической формы с острием в верхней части, соединенный с генератором силовых волн с концентратором волн и отражателем волн на его конце, сообщенным с жидким волноводом, в котором дополнительно концентратор волн и отражатель волн выполнены в виде усеченных конусов, герметично соединенных между собой своими большими основаниями, и снабжены гидромолотом, пропущенным через меньшее основание концентратора волн с возможностью его возвратно-поступательного движения с клапаном и бойком и патрубком высокого давления воды, при этом сечение отражателя волн выполнено с уменьшающимся по экспоненте сечением, волновод-излучатель выполнен с сечением, уменьшающимся по зависимости

где ρ_и0, а_и0 - соответственно плотности материала излучателя, скорость волны в материале излучателя в нулевом сечении;
ρ_и, а_и, F_и - соответственно те же параметры излучателя в текущих сечениях излучателя;
ρ_ж, а_ж, F_ж - соответственно плотность жидкости волновода, скорость волны в жидком волноводе и приведенное сечение жидкостного волновода по длине излучателя, а акустический отражатель имеет высоту не меньше длины волны.

Недостатком устройства является то, что в нем не предусмотрено технических элементов, выполняющих перед гидроразрывом концентраторы напряжений на стенках скважины и ограничивающих охват трещинами по толщине пласта.

Наиболее близким аналогом является (А. с. СССР 1583608, М.кл. Е 21 С 45/00, 43/28, опубл. 07.08.90, БИ 29) устройство для добычи полезных ископаемых через скважины, включающее трубопроводы для нагнетания рабочей жидкости в нагнетательную скважину и откачки пульпы через откачную скважину с запорной арматурой, патрубки, соединяющие скважины с нагнетательным и откачным трубопроводами, возбудитель импульсов и привод возбудителя, в котором дополнительно патрубок нагнетательного трубопровода выполнен в виде двухступенчатого корпуса с крышкой и дистанционной прокладкой и установлен соосно с нагнетательной скважиной, ступень меньшего диаметра соединена с нагнетательным трубопроводом посредством обратного клапана, ступень большего диаметра расположена над ступенью меньшего диаметра, сообщена с ней и снабжена упругими связями, возбудитель импульсов размещен между упругими связями в ступени большего диаметра и имеет канал для выпуска воздуха, причем внутренний диаметр меньшей ступени равен или больше диаметра скважины, а дистанционная прокладка размещена между крышкой и упругими связями в ступени большего диаметра. Патрубок нагнетательной скважины снабжен отражателем, соединенным с последним посредством дополнительной упругой связи и амортизатора, а поверхность отражателя снабжена не менее чем двумя винтовыми выступами, имеющими в плане вид спирали.

Недостатками этого устройства является отсутствие технических элементов, выполняющих перед гидроразрывом концентраторы напряжений на стенках скважины, ограничивающих охват трещинами по толщине пласта и обеспечивающих достаточность статического давления столба жидкости на уровне исследуемого пласта на больших глубинах порядка 4-5 км и амплитуды в ударной волне, а также соизмеримость длины волны с толщиной пласта.

Известно также оборудование для гидроразрыва пласта и повышения проницаемости горных пород, включающее силовой гидроцилиндр, камеру повышенного давления, клапаны всаса и выхлопа рабочего агента, герметизирующий элемент - пакерное устройство, насосно-компрессорные трубы - НКТ, обсадную колонну с перфорационными отверстиями и цементным тампонажным кольцом, пороховой аккумулятор давления скважин - пороховой заряд с механизмом воспламенения заряда (см. книгу Попов А.А. Ударные воздействия на призабойную зону скважин. М. : Недра, 1990, с.35, 36, 38-45, 74-76, рис.24).Недостатком использования этого оборудования является то, что при некачественном цементаже может разорваться обсадная колонна и произойти заклинивание подводящих проводов, пороховые газы при входе в объем пласта могут перераспределиться с насыщающей пластовой жидкостью и образовать эффект Жамена, приводящий к закупорке прискважинной зоны.

Известен интервальный пакер по авт. свид. СССР 643625, кл. Е 21 В 33/12, опубл. в БИ 3, 1979, содержащий верхний и нижний пакеры со стволами, выполненными с радиальными каналами, корпус с окнами, якорь, клапанное устройство, гильзу и фиксатор, причем ствол нижнего пакера жестко соединен с гильзой, а фиксатор установлен на конце ствола верхнего пакера с возможностью взаимодействия с гильзой, при этом в нижней части ствола нижнего пакера установлен жестко связанный с ним патрубок, образующий со стволом кольцевую полость, а под герметизирующим элементом установлен поршень, образующий со стволом камеру, сообщающуюся с кольцевой полостью, а при пакеровке - с внутрипакерным пространством. Нижняя поверхность интервального пакера выполнена плоской, что не влияет на эффективность работы пакера, но при использовании его при взрыве уменьшает эффективность последнего.

Техническим результатом, который будет получен при использовании изобретения, является ограничение зоны охвата волновым воздействием в заданных пределах толщины пласта за счет выполнения на стенках скважины окружных концентраторов напряжений, позволяющих производить гидроразрыв в их плоскости при изоляции пакерами и меньших гидростатических давлениях, а при выполнении прямолинейных концентраторов напряжений на стенках скважины, ограниченных сверху и снизу окружными, производство гидроразрыва в плоскостях, параллельных продольной оси скважины, при оптимальных гидростатических давлениях, и затем осуществлять с помощью управляемого волнового гидродинамического воздействия дилатантное разрыхление в макрообъемах между образовавшимися трещинами, ликвидируя закрытую пористость и повышая проницаемость пород.

Достигается это тем, что способ гидроразрыва пласта и повышения проницаемости горных пород, включающий бурение скважины на заданную глубину, испытание пласта на приток, размещение на устье скважины наземного насосного агрегата, подающего рабочий агент в скважину, вскрывающую пласт полезного ископаемого, воздействие ударными волнами с помощью гидроударного устройства и с передачей их по жидкостному волноводу в скважине с последующим поворотом волны от отражателя в пласт, согласно изобретению дополнительно на стенках скважины в пределах толщины интересующего пласта выполняют верхний и нижний окружные и прямолинейные концентраторы напряжений с помощью предварительно спускаемого в скважину специального режущего инструмента, извлекаемого на поверхность земли после их наведения, затем спускают в скважину в составе буровой колонны с системой радиальных и продольных каналов золотниковое устройство, втулку, подпружиненный клапан и сдвоенный пакер, предназначенные для изоляции одного из окружных концентраторов напряжений сверху и снизу его, и после спускают в составе насосно-компрессорных труб (НКТ) с системой радиальных и продольных каналов переводник с подпружиненной втулкой, гидроударное устройство, насос-мультипликатор, ресивер высокого давления с управляемым сбрасывающим клапаном - генератор высокого давления (силовой гидроцилиндр), в составе корпуса которого находится путевой переключатель давления, до приведения в функциональную связь систем радиальных и продольных каналов и перечисленных устройств в составе буровой колонны и в составе НКТ и включают в работу с помощью наземного насосного агрегата гидроударное устройство, выполняющее роль гидропривода насоса-мультипликатора, подающего рабочий агент в ресивер высокого давления, по достижении расчетной предельной величины которого оно автоматически и циклически сбрасывается во внутрипакерное пространство; после достижения требуемой величины давления рабочего агента во внутрипакерных пространствах его величину повышают с помощью гидроударного устройства и наземного насосного агрегата, при котором происходит сдвиг вниз верхнего подпружиненного ступенчатого поршня и фиксация его положения внутри путевого переключателя, в результате чего давление во внутрипакерных пространствах запирается и открывается канал к изолированному окружному концетратору напряжений и нагнетание давления в нем из ресивера высокого давления производят аналогично с помощью гидроударного устройства и наземного насосного агрегата до гидроразрыва пласта, здесь давление рабочего агента в области окружного концентратора напряжений, поскольку давление во внутрипакерных пространствах заперто и зафиксировано, опускают ниже, чем внутри пакеров; гидроразрыв пласта фиксируют по резкому падению давления при нагнетании рабочего агента с помощью наземного насосного агрегата; после гидроразрыва пласта производят открепление фиксаторов верхнего подпружиненного ступенчатого поршня путевого переключателя давления с помощью давления, подаваемого на нижний край нижнего подпружиненного ступенчатого поршня-открепителя, и сброс давлений во внутрипакерных пространствах и осуществляют их связь с подпакерным и надпакерным пространствами, после чего устройство принимает свое исходное состояние и его перемещают вдоль скважины так, чтобы пакеры изолировали своими уплотнительными элементами другой окружный концентратор напряжений и все действия с ним повторяют аналогично действиям с первым окружным концентратором напряжений; после этого устройство извлекают на поверхность и опускают устройство, оснащенное двумя парами пакеров, предназначенными для одновременного изолирования верхнего и нижнего окружных концентраторов напряжений и производства гидроразрыва вдоль прямолинейных концентраторов напряжений на стенках скважины, осуществление которого аналогично гидроразрыву в плоскости окружного концентратора напряжений; после гидроразрыва по прямолинейным концентраторам напряжений на стенках скважины осуществляют расширение зоны разуплотнения пород в макрообъемах и повышение проницаемости с ликвидацией закрытой пористости путем циклического гидроимпульсного воздействия с помощью давления рабочего агента, автоматически сбрасываемого ресивером высокого давления при нагнетании его насосом-мультипликатором; сами образовавшиеся вертикальные трещины не выходят за пределы образованных до этого трещин в горизонтальных плоскостях, раскрытость образовавшихся вертикальных трещин обеспечивается за счет того, что вертикальная составляющая горного давления всегда больше окружной тангенциальной составляющей горного давления; альтернативой генератору высокого давления рабочего агента может служить пороховой заряд или цепочка зарядов, при необходимости включаемых в действие через определенные промежутки времени до достижения гидроразрыва пласта.

Оборудование для гидроразрыва пласта и повышения проницаемости горных пород, включающее жидкий волновод, генератор силовых волн, передающий колебания волноводу, гидроударное устройство или гидромолот с возможностью его возвратно-поступательного движения с клапаном и бойком и патрубком высокого давления воды, согласно изобретению дополнительно снабжено спускаемым в скважину режущим инструментом для наведения окружных и прямолинейных концентраторов напряжений на стенках скважины, извлекаемым из нее после их выполнения, режущий инструмент для производства окружных концентраторов может быть представлен в трех вариантах, в двух из которых предусматривается создание вращательного момента маховика, оснащенного подпружиненным выдвижным режущим инструментом при постоянном и переменном радиусах приложения сил реакции вытекающих струй рабочего агента (воды) с применением механических связей в виде подшипников качения, в третьем - исключаются механические связи и заменяются на гидравлические типа гидравлической смазки, благодаря чему вращение маховика с режущим инструментом осуществляется в плавающем режиме без шума и вибрации; тарирование давления рабочего агента на максимальный выход подпружиненного режущего инструмента производят предварительно, после чего процесс нарезания концентраторов напряжений на стенках скважины становится управляемым с поверхности земли; режущий инструмент для наведения прямолинейных концентраторов напряжений дополнительно оснащен управляемым с поверхности земли отклоняющим устройством, прижимающим режущий инструмент к стенке скважины, а НКТ на поверхности земли оснащены угломером, позволяющим наводить прямолинейные концентраторы напряжений на стенках скважины с заданным углом между ними.

Оборудование для гидроразрыва пласта и повышения проницаемости, включающее втулку, подпружиненный клапан, размещенные в составе буровой колонны во внутритрубном пространстве, оснащенные радиальными и продольными каналами, одну пару пакеров, размещенных на внешней поверхности корпусов в составе буровой колонны, силовой гидроцилиндр (генератор высокого давления), переводник для осуществления функциональной связи, согласно изобретению дополнительно снабжено золотниковым устройством в составе буровой колонны, размещенным в ее внутритрубном пространстве и примыкающим снизу к нижнему торцу втулки, взаимодействующим с подпружиненным клапаном, расположенном выше втулки, и предназначенным для осуществления гидравлической связи внутрипакерных пространств между собой и с генератором высокого давления, с подпакерным и надпакерным пространствами с помощью радиальных и продольных каналов, выполненных в цилиндрической стенке корпусов в составе буровой колонны, силовым гидроцилиндром (генератором высокого давления), размещенным в составе насосно-компрессорных труб (НКТ) выше относительно подпружиненного клапана и жестко связанным с вышерасположенным насосом-мультипликатором, который в свою очередь жестко связан с вышерасположенным гидроударным устройством и гидроударное устройство жестко связано с вышерасположенным переводником, а верхний край переводника жестко связан с НКТ, в составе корпуса силового гидроцилиндра в нижней его части жестко установлен путевой переключатель давления, в стенке корпуса которого выполнены радиальные и продольные каналы для подачи рабочего агента в пакеры, в область межпакерного пространства, в путевой переключатель давления для перевода его в исходное состояние, предназначенный для запирания заданного давления рабочего агента в верхнем и нижнем пакерах и последующего открывания каналов с направлением от силового гидроцилиндра в область окружного концентратора напряжений для производства гидроразрыва, для необходимости сброса давления во внутрипакерных пространствах после производства гидроразрыва пласта с помощью канала, выполненного в боковых стенках корпусов последовательно сверху вниз переводника, гидроударного устройства, насоса-мультипликатора, силового гидроцилиндра, путевого переключателя давления и перекрытого в переводнике корпусом подпружиненной втулки с осевым каналом и уплотнениями до тех пор, пока не будет произведен гидроразрыв пласта, после которого осевой канал подпружиненной втулки переводника перекрывают сбрасываемым с поверхности земли внутри НКТ гладким шаром и путем подачи расчетного давления подпружиненную втулку осаживают вниз до положения, при котором открывается вышеупомянутый канал, к нижнему краю подпружиненного ступенчатого поршня-открепителя, предназначенного для открепления фиксаторов верхнего подпружиненного ступенчатого поршня путевого переключателя давления, после чего верхний подпружиненный ступенчатый поршень займет свое исходное положение, перекрывая собой канал в межпакерное пространство и открывая канал в золотниковое устройство и внутрипакерное пространство, а подпружиненный ступенчатый поршень-открепитель откроет канал во внутреннее пространство НКТ для сброса давления рабочего агента из внутрипакерных пространств и их последующей связи с помощью золотникового устройства с подпакерным и надпакерным пространствами.

Оборудование для гидроразрыва пласта и повышения проницаемости вдоль прямолинейных концентраторов напряжений на стенках скважины после выполнения гидроразрыва пласта в двух плоскостях окружных концентраторов напряжений на стенках скважины в пределах испытуемого пласта согласно изобретению дополнительно оснащено двумя парами пакеров, предназначенными для изолирования трещин в горизонтальных плоскостях, и их внутрипакерные пространства гидравлически связаны между собой, а канал сброса высокого давления выведен в зону межпакерного пространства двух средних пакеров.

Оборудование для гидроразрыва пласта и повышения проницаемости горных пород, включающее силовой гидроцилиндр, камеру повышенного давления, клапаны всаса и выхлопа рабочего агента, полый подпружиненный поршень, герметизирующий элемент - пакерное устройство, буровую колонну, насосно - компрессорные трубы - НКТ, обсадную колонну с перфорационными отверстиями и цементным тампонажным кольцом, золотниковое устройство, дополнительно оснащено пороховым зарядом, при подрыве которого давление пороховых газов распределяется на полый подпружиненный поршень, шарнирно связанный с камерой повышенного давления, содержащей клапаны всаса и выхлопа рабочего агента, выпускным каналом для отработанных пороховых газов, имеющим связь с внутренним пространством НКТ, рабочим цилиндром, предназначенным для движения в нем полого подпружиненного поршня, содержащим корпус, жестко соединенный с корпусом камеры повышенного давления, в составе буровой колонны, пороховой заряд размещен в полости камеры высокого давления внутри корпуса рабочего цилиндра над полым подпружиненным поршнем, корпус рабочего цилиндра оснащен кольцевой проточкой и каналом, гидравлически связанными с пространством, заключенным между стенкой буровой колонны и НКТ, и камерой повышенного давления, патрон порохового заряда жестко прикреплен своим верхним краем к нижнему краю корпуса в составе НКТ, жестко закрепленного в корпусе рабочего цилиндра и уплотненного кольцевыми уплотнениями, в верхней части патрона размещен капсюль, а в нижней части корпуса в составе НКТ размещен подпружиненный боек с укрепленной на его верхней части конусной головкой, предназначенной для захвата, спускаемого с поверхности земли, корпус рабочего цилиндра и корпус в составе НКТ оснащены радиальными каналами для пневматической связи с выпускным каналом отработанных пороховых газов и внутренним пространством НКТ, корпус камеры высокого давления на своей внешней поверхности оснащен втулкой, шарнирно связанной со стаканом, предназначенным для опоры на дно скважины, в стенках корпуса, втулки и стакана выполнены Т-образные пазы под головки закрепленных болтов для возможности шарнирного соединения и перемещения в продольном направлении при сжатии герметизирующих элементов-пакеров, стакан оснащен радиальными каналами, предназначенными для гидравлической связи с перфорационными отверстиями в обсадной колонне, цементном тампонажном кольце, испытуемом пласте в пределах его толщины, стенка корпуса камеры повышенного давления со стороны его нижнего края оснащена подпружиненным золотником с выступом, полость которого гидравлически связана с замкнутым объемом подпакерного пространства с помощью радиального канала в стенке корпуса и с затрубным надпакерным пространством буровой колонны, в составе которой находится корпус, с помощью другого канала, выступ подпружиненного золотника предназначен для контакта с дном стакана и с возможностью перемещения выступа подпружиненного золотника вверх для перекрытия радиального канала по мере деформации пакеров за счет перемещения буровой колонны под необходимым расчетным усилием с поверхности земли и последующего подрыва порохового заряда, а при испытании пласта на приток после производства его гидроразрыва путем снижения усилия на буровую колонну с возможностью перемещения выступа подпружиненного золотника вниз для открывания канала в затрубное надпакерное пространство.

Оборудование для гидроразрыва пласта и повышения его проницаемости с использованием порохового заряда согласно изобретению дополнительно допускает упрощение за счет исключения полого подпружиненного поршня и глушения выхлопного канала пороховых газов, когда их давление в момент подрыва распределяется непосредственно на поверхность флюида в самой буровой колонне при пакеровке путем ее нагружения с поверхности земли; по уровню флюида в буровой колонне до и после сгорания порохового заряда рассчитывают объем появившихся трещин после гидроразрыва пласта.

Отличительными признаками изобретения являются следующие:
- на стенках скважины в пределах толщины пласта выполняют верхний и нижний окружные и прямолинейные концентраторы напряжений с помощью предварительно спускаемого в скважину специального режущего инструмента, извлекаемого на поверхность земли после их наведения;
- спускают в скважину в составе буровой колонны с системой радиальных и продольных каналов золотниковое устройство, втулку, подпружиненный клапан и сдвоенный пакер, предназначенные для изоляции одного из окружных концентраторов напряжений сверху и снизу его, и после спускают в составе насосно-компрессорных труб (НКТ) с системой радиальных и продольных каналов переводник с подпружиненной втулкой, гидроударное устройство, насос-мультипликатор, ресивер высокого давления с управляемым сбрасывающим клапаном - генератор высокого давления (силовой гидроцилиндр), в составе корпуса которого находится путевой переключатель давления, до приведения в функциональную связь систем радиальных и продольных каналов и перечисленных устройств в составе буровой колонны и в составе НКТ и включают в работу с помощью наземного насосного агрегата гидроударное устройство, выполняющее роль гидропривода насоса-мультипликатора, подающего рабочий агент в ресивер высокого давления, по достижении расчетной предельной величины которого оно автоматически и циклически сбрасывается во внутрипакерное пространство;
- после достижения требуемой величины давления рабочего агента во внутрипакерных пространствах его величину повышают с помощью гидроударного устройства и наземного насосного агрегата, при котором происходит сдвиг вниз верхнего подпружиненного ступенчатого поршня и фиксация его положения внутри путевого переключателя, в результате чего давление во внутрипакерных пространствах запирается и открывается канал к изолированному окружному концентратору напряжений и нагнетание давления в нем из ресивера высокого давления производят аналогично с помощью гидроударного устройства и наземного насосного агрегата до гидроразрыва пласта, здесь давление рабочего агента в области окружного концентратора напряжений, поскольку давление во внутрипакерных пространствах заперто и зафиксировано, опускают ниже, чем внутри пакеров;
- гидроразрыв пласта фиксируют по резкому падению давления при нагнетании рабочего агента с помощью наземного насосного агрегата;
- после гидроразрыва пласта производят открепление фиксаторов верхнего подпружиненного ступенчатого поршня путевого переключателя давления с помощью давления, подаваемого на нижний край подпружиненного ступенчатого поршня-открепителя, и сброс давлений во внутрипакерных пространствах и осуществляют их связь с подпакерным и надпакерным пространствами, после чего устройство принимает свое исходное состояние и его перемещают вдоль скважины так, чтобы пакеры изолировали своими уплотнительными элементами другой окружный концентратор напряжений и все действия с ним повторяют аналогично действиям с первым окружным концентратором напряжений;
- устройство извлекают на поверхность и опускают устройство, оснащенное двумя парами пакеров, предназначенными для одновременного изолирования верхнего и нижнего окружных концентраторов напряжений и производства гидроразрыва вдоль прямолинейных концентраторов напряжений на стенках скважины, осуществление которого аналогично гидроразрыву в плоскости окружного концентратора напряжений;
- после гидроразрыва по прямолинейным концентраторам напряжений на стенках скважины осуществляют расширение зоны разуплотнения пород в макрообъемах и повышения проницаемости с ликвидацией закрытой пористости путем циклического гидроимпульсного воздействия с помощью давления рабочего агента, автоматически сбрасываемого ресивером высокого давления при нагнетании его насосом-мультипликатором;
- образовавшиеся вертикальные трещины не выходят за пределы образованных до этого трещин в горизонтальных плоскостях, раскрытость образовавшихся вертикальных трещин обеспечивается за счет того, что вертикальная составляющая горного давления всегда больше окружной тангенциальной составляющей горного давления;
- альтернативой генератору высокого давления рабочего агента может служить пороховой заряд или цепочка зарядов, при необходимости включаемых в действие через определенные промежутки времени до достижения гидроразрыва пласта;
- оборудование для гидроразрыва пласта и повышения проницаемости снабжено спускаемым в скважину режущим инструментом для наведения окружных и прямолинейных концентраторов напряжений на стенках скважины, извлекаемым из нее после их выполнения, режущий инструмент для производства окружных концентраторов может быть представлен в трех вариантах, в двух из которых предусматривается создание вращательного момента маховика, оснащенного подпружиненным выдвижным режущим инструментом при постоянном и переменном радиусах приложения сил реакции вытекающих струй рабочего агента (воды) с применением механических связей в виде подшипников качения, в третьем - исключаются механические связи и заменяются на гидравлические типа гидравлической смазки, благодаря чему вращение маховика с режущим инструментом осуществляется в плавающем режиме без шума и вибрации;
- тарирование давления рабочего агента на максимальный выход подпружиненного режущего инструмента производят предварительно, после чего процесс нарезания концентраторов напряжений на стенках скважины становится управляемым с поверхности земли;
- режущий инструмент для наведения прямолинейных концентраторов напряжений оснащен управляемым с поверхности земли отклоняющим устройством, прижимающим режущий инструмент к стенке скважины, а НКТ на поверхности земли оснащены угломером, позволяющим наводить прямолинейные концентраторы напряжений на стенках скважины с заданным углом между ними;
- оборудование снабжено золотниковым устройством в составе буровой колонны, размещенным в ее внутритрубном пространстве и примыкающим снизу к нижнему торцу втулки, взаимодействующим с подпружиненным клапаном, расположенным выше втулки и предназначенным для осуществления гидравлической связи внутрипакерных пространств между собой и с генератором высокого давления, с подпакерным и надпакерным пространствами с помощью радиальных и продольных каналов, выполненных в цилиндрической стенке корпусов в составе буровой колонны, силовым гидроцилиндром (генератором высокого давления), размещенным в составе насосно-компрессорных труб (НКТ) выше относительно подпружиненного клапана и жестко связанным с вышерасположенным насосом-мультипликатором, который в свою очередь жестко связан с вышерасположенным гидроударным устройством, и гидроударное устройство жестко связано с вышерасположенным переводником, а верхний край переводника жестко связан с НКТ, в составе корпуса силового гидроцилиндра в нижней его части жестко установлен путевой переключатель давления, в стенке корпуса которого выполнены радиальные и продольные каналы для подачи рабочего агента в пакеры, в область межпакерного пространства, в путевой переключатель давления для перевода его в исходное состояние, предназначенный для запирания заданного давления рабочего агента в верхнем и нижнем пакерах и последующего открывания каналов с направлением от силового гидроцилиндра в область окружного концентратора напряжений для производства гидроразрыва, для необходимости сброса давления во внутрипакерных пространствах после производства гидроразрыва пласта с помощью канала, выполненного в боковых стенках корпусов последовательно сверху-вниз переводника, гидроударного устройства, насоса-мультипликатора, силового гидроцилиндра, путевого переключателя давления и перекрытого в переводнике корпусом подпружиненной втулки с осевым каналом и уплотнениями до тех пор, пока не будет произведен гидроразрыв пласта, после которого осевой канал подпружиненной втулки переводника перекрывают сбрасываемым с поверхности земли внутри НКТ гладким шаром и путем подачи расчетного давления подпружиненную втулку осаживают вниз до положения, при котором открывается вышеупомянутый канал, к нижнему краю подпружиненного ступенчатого поршня-открепителя, предназначенного для открепления фиксаторов верхнего подпружиненного ступенчатого поршня путевого переключателя давления, после чего верхний подпружиненный ступенчатый поршень займет свое исходное положение, перекрывая собой канал в межпакерное пространство и открывая канал в золотниковое устройство и внутрипакерное пространство, а подпружиненный ступенчатый поршень-открепитель откроет канал во внутреннее пространство НКТ для сброса давления рабочего агента из внутрипакерных пространств и их последующей связи с помощью золотникового устройства с подпакерным и надпакерным пространствами;
- оборудование для гидроразрыва пласта и повышения проницаемости вдоль прямолинейных концентраторов оснащено двумя парами пакеров, предназначенными для изолирования трещин в горизонтальных плоскостях, и их внутрипакерные пространства гидравлически связаны между собой, а канал сброса высокого давления выведен в зону межпакерного пространства двух средних пакеров;
- оборудование вместо силового гидроцилиндра оснащено пороховым зарядом, при подрыве которого давление пороховых газов распределяется на полый подпружиненный поршень, шарнирно связанный с камерой повышенного давления, содержащей клапаны всаса и выхлопа рабочего агента, выпускным каналом для отработанных пороховых газов, имеющим связь с внутренним пространством НКТ, рабочим цилиндром, предназначенным для движения в нем полого подпружиненного поршня, содержащим корпус, жестко соединенный с корпусом камеры повышенного давления, в составе буровой колонны;
- пороховой заряд размещен в полости камеры высокого давления внутри корпуса рабочего цилиндра над полым подпружиненным поршнем;
- корпус рабочего цилиндра оснащен кольцевой проточкой и каналом, гидравлически связанными с пространством, заключенным между стенкой буровой колонны и НКТ, и камерой повышенного давления;
- патрон порохового заряда жестко прикреплен своим верхним краем к нижнему краю корпуса в составе НКТ, жестко закрепленного в корпусе рабочего цилиндра и уплотненного кольцевыми уплотнениями;
- в верхней части патрона размещен капсюль, а в нижней части корпуса в составе НКТ размещен подпружиненный боек с укрепленной на его верхней части конусной головкой, предназначенной для захвата, спускаемого с поверхности земли внутри НКТ с помощью троса (роль захвата может исполнять электромагнит, при включении тока сердечник электромагнита, захвативший боек, поднимается вверх, при отключении тока боек под действием пружины опускается вниз);
- корпус рабочего цилиндра и корпус в составе НКТ оснащены радиальными каналами, имеющими пневматическую связь с выпускным каналом отработанных пороховых газов и внутренним пространством НКТ;
- корпус камеры высокого давления на своей внешней поверхности оснащен втулкой, шарнирно связанной со стаканом, предназначенным для опоры на дно скважины;
- степень свободы продольного перемещения шарнирного соединения обеспечивают за счет выполнения Т-образных пазов в стенках соответственно корпуса, втулки, стакана и закрепления болтов, головки которых при сжатии в продольном направлении герметизирующих элементов (пакеров) шарнирно перемещаются внутри Т-образных пазов;
- стакан оснащен радиальными каналами, предназначенными для гидравлической связи с перфорационными отверстиями в обсадной колонне, цементном тампонажном кольце, испытуемом пласте в пределах его толщины;
- стенка корпуса камеры повышенного давления со стороны его нижнего края оснащена подпружиненным золотником с выступом, полость которого гидравлически связана с замкнутым объемом подпакерного пространства с помощью радиального канала в стенке корпуса и с затрубным надпакерным пространством буровой колонны, в составе которой находится корпус, с помощью другого канала;
- выступ подпружиненного золотника, размещенного в стенке корпуса камеры повышенного давления, предназначен для контакта с дном стакана, перемещения выступа золотника вверх, перекрытия радиального канала по мере деформации герметизирующих элементов (пакеров) за счет перемещения буровой колонны под необходимым расчетным усилием с поверхности земли и последующего подрыва порохового заряда, а при испытании пласта на приток после производства его гидроразрыва путем снижения усилия на буровую колонну выступ подпружиненного золотника перемещается вниз, открывая канал в затрубное надпакерное пространство для притока пластового флюида;
- оборудование с использованием порохового заряда допускает упрощение за счет исключения полого подпружиненного поршня и глушения выхлопного канала пороховых газов, когда их давление в момент подрыва распределяется непосредственно на поверхность флюида в самой буровой колонне при пакеровке путем ее нагружения с поверхности земли;
- по уровню флюида в буровой колонне до и после сгорания порохового заряда рассчитывают объем появившихся трещин после гидроразрыва пласта.

На фиг.1 приведена схема предварительного выполнения концентраторов напряжений на стенках скважины перед гидроразрывом исследуемого пласта; на фиг. 2 - пласт с выполненными трещинами в горизонтальных плоскостях, ограничивающих распространение вертикальных трещин сверху и снизу; на фиг.3 - пласт с выполненными вертикальными трещинами, ограниченными сверху и снизу горизонтальными;
на фиг.4 - компоновка инструмента и его привода для выполнения на стенках скважины концентраторов напряжений в горизонтальных плоскостях; на фиг.5 - компоновка инструмента и его привода для выполнения на стенках скважины концентраторов напряжений в вертикальных плоскостях; на фиг.6 - вертикальный разрез Б-Б маховика на фиг.5 с подпружиненными (шарнирными) патрубками; на фиг.7 - вид сверху режущего инструмента, содержащего режущую кромку с вершиной двугранного угла; на фиг.8 - вид сбоку режущего инструмента; на фиг.9 - вариант устройства для наведения концентраторов напряжений на стенках необсаженной скважины в горизонтальной плоскости с заменой механических связей на гидравлические; на фиг.10 - разрез В-В на фиг.9; на фиг.11 - продольный разрез устройства, предназначенного для создания концентраторов напряжений на стенках необсаженной скважины вдоль ее образующих; на фиг.12 - отклоняющее устройство для инструмента наведения прямолинейных концентраторов напряжений на стенках необсаженной скважины; на фиг.13 - компоновка спущенного внутрискважинного оборудования для производства гидроразрыва в плоскости окружного концентратора напряжений на стенках скважины; на фиг.14 - продольный разрез спускаемого в скважину устройства в составе буровой колонны для гидроразрыва пласта и повышения проницаемости; на фиг.15 - продольный разрез спускаемого в скважину устройства в составе буровой колонны с добавлением спущенного на НКТ силового гидроцилиндра и насоса-мультипликатора; на фиг.16 - продольный разрез нижней части спускаемого устройства в составе буровой колонны; на фиг.17 - продольный разрез путевого переключателя давления; на фиг. 18 - продольный разрез силового гидроцилиндра и насоса-мультипликатора; на фиг.19 - продольный разрез переводника с подпружиненной втулкой; на фиг. 20 - продольный разрез испытуемого пласта и спускаемого оборудования для производства гидроразрыва вдоль прямолинейных концентраторов напряжений; на фиг. 21 - продольный разрез рабочего цилиндра с подпружиненным полым поршнем под пороховой заряд, корпус которого жестко соединен с корпусом камеры повышенного давления в составе буровой колонны; на фиг.22 - схема компоновки порохового заряда в камере высокого давления в составе буровой колонны и корпуса в составе НКТ; на фиг.23 - схема компоновки пакерного устройства для варианта применения порохового заряда вместо силового гидроцилиндра.

На исследуемый пласт 1 (фиг.1) пробурена скважина с поверхности 2 земли, которая укреплена обсадной колонной 3 с фланцем 4 и тампонажным цементным кольцом 5, герметизирующим кольцевой зазор между обсадной колонной 3 и стенками скважины, проведенной в слоях пород 6 выше и ниже исследуемого пласта 1. Вблизи верхней и нижней границ исследуемого пласта 1 создают концентраторы 7 напряжений, представляющие собой кольцевые остроугольные углубления в стенках участка необсаженной скважины и расположенные в плоскостях, перпендикулярных оси скважины под нижним краем обсадной колонны 3. После этого производят гидроразрыв пласта с образованием трещин 8, расположенных в плоскостях, параллельных границам исследуемого пласта или по самим границам. Затем создают вертикальные остроугольные концентраторы 9 напряжений вдоль образующих цилиндрической поверхности необсаженной скважины, расположенные друг от друга на заданный угол (фиг.1, 2) и между наведенными горизонтальными трещинами 8. Количество концентраторов 9 выбирают от трех и более. После получения вертикальных остроугольных концентраторов 9 напряжений на стенках скважины создают с помощью проведения гидроразрыва вертикальные трещины 10, ограниченные сверху и снизу горизонтальными трещинами 8. Протяженность вертикальных трещин в радиальном направлении от оси скважины вглубь массива пласта не должна превосходить протяженности горизонтальных трещин (фиг.3). Полученная таким образом сеть трещин резко увеличивает поверхность флюидосбора, что непременно повысит и дебит добывающей скважины.

Вышесказанное относится к способу гидроразрыва пласта путем искусственного предварительного наведения на стенках скважины концентраторов 7 и 9 напряжений.

Теперь опишем предлагаемый инструмент, с помощью которого наводят эти концентраторы. На фиг.4 показан вертикальный разрез устройства для наведения в горизонтальных плоскостях на стенках скважины концентраторов 7 напряжений. Оно состоит из корпуса 11, оснащенного конической резьбой 12 для жесткой связи его с насосно-компрессорными трубами, осевым каналом 13, радиальными каналами 14 и 15, предназначенными для подвода рабочего агента (например, воды), поршня 16, шарнирно или жестко связанного с нажимной втулкой 17, снабженной подпружиненными выступами 18, предназначенными для шарнирной связи с продольными пазами 19 корпуса 11, подшипника 20, предназначенного для шарнирной связи нажимной втулки 17 со скользящим подпружиненным упором 21, подшипника 22, шарнирно связывающего скользящий упор 21 с пружиной 23, расположенной внутри кольцевого зазора между корпусом 11 и боковой цилиндрической стенкой скользящего упора 21, опирающейся нижним краем на торец гайки 24, зафиксированной контрагайкой 25 по резьбе корпуса 11, маховика 26, надетого на выступ корпуса 11 в его нижней части и шарнирно опирающегося на опорный подшипник 27, зафиксированный на выступе корпуса 11 с помощью гайки 28 и контрагайки 29 по резьбе на нижнем конце выступа корпуса 11. Маховик 26 снабжен в его средней части кольцевой проточкой 30, предназначенной для связи с радиальными каналами 15 и осевым каналом 13 и кольцевыми проточками 31 для уплотнения зазора между выступом корпуса 11 и маховиком 26 и режущим инструментом 32, содержащим упругий элемент 33, выполненный в виде кольца, имеющим возможность радиального перемещения при взаимодействии контактируемых поверхностей режущего инструмента 32 и скользящего упора 21. На фиг.5 показан вид сверху маховика 26 при сечении А-А на фиг.4. Маховик 26 снабжен выхлопными каналами 34, образующими известный двигатель типа Сегнерова колеса, предназначенный для использования реакции вытекающей струи из загнутых под углом 90^o патрубков, сквозными проемами 35, предназначенными для входа в них скользящего упора 21, фигурным фланцем 36, жестко прикрепленным сверху к корпусу маховика 26 крепежными винтами 37, предназначенными для прикрытия режущего инструмента 32 и образования пазов 38, внутри которых шарнирно размещены края режущего инструмента 32.

На вертикальном разрезе Б-Б маховика 26 (фиг.5) показан вариант маховика с подпружиненными (шарнирными) патрубками 39 (фиг.6). Патрубки 39 с выхлопными каналами 34 имеют два варианта исполнения: или жестко связаны с корпусом маховика 26 или шарнирно. В первом случае - патрубки 39 запрессованы в корпус маховика 26 или приварены к нему, во втором случае - они подпружинены с возможностью шарнирного поступательного перемещения внутри радиальных каналов в корпусе маховика 26, что позволяет при равных условиях повысить вращательный момент маховика и его мощность.

На фиг.7 показан вид сверху режущего инструмента 32, содержащего режущую кромку 40 с вершиной двугранного угла 41. На фиг.8 показан вид сбоку режущего инструмента 32.

На фиг.9 показан вариант устройства для наведения концентраторов напряжений на стенках необсаженной скважины в горизонтальной плоскости, в котором поршень 16 и нажимная втулка 17 содержат сообщающиеся между собой каналы 42, 43 и сходящийся канал 44. Канал 44 образован коническими нижней и верхней торцовыми поверхностями соответственно нажимной втулки 17 и скользящего подпружиненного упора 21. Аналогично выполнен сходящийся канал 45 между двумя поверхностями колец 46 и 47, надетых на нижний выступ корпуса 11, сообщающийся с каналами 48 и 13. Сходящиеся каналы 44 и 45 предназначены для замены механических связей со скользящего подпружиненного упора 21 и маховика 26 гидравлическими.

На фиг.10 показан разрез В-В на фиг.9, из которого следует, что нажимная втулка 17 с помощью продольных пазов 19 в корпусе 11 и подпружиненных выступов 18 шарнирно связана со скользящим подпружиненным упором 21 так же, как и в описанном выше варианте (фиг.4).

Работа устройств (фиг. 4-10), предназначенных для наведения концентраторов напряжений на стенках скважины в плоскостях, перпендикулярных оси скважины, и служащих инструментом его осуществления, состоит в следующем. Корпус 11 устройства (фиг.4-10) навинчивают с помощью резьбы 12 на насосно-компрессорные трубы (НКТ) и спускают его на заранее определенную глубину. Фиксацию спускаемых в скважину НКТ на заданной глубине производят одним из известных применяемых на практике способов, который здесь не приводится. Затем по НКТ подают рабочий агент (например, воду, аэрированную воду), который из полости 13 направляется одновременно по каналам 14 и 15 соответственно на поршень 16, кольцевой канал 30 и далее в каналы 34 патрубков 39, приводя маховик 26 во вращательное движение за счет действия реакции вытекающих струй. Рабочий агент производит давление на поршень 16, вызывая его смещение вниз. Связанная с поршнем 16 нажимная втулка 17 начинает также перемещаться вниз поступательно за счет поступательного перемещения подпружиненных выступов 18 в продольных пазах 19 корпуса 11, производя давление через подшипник качения 20 на скользящий подпружиненный упор 21, подпираемый снизу пружиной 23, подшипником качения 22, гайками 24 и 25.

Давление рабочего агента, подаваемого на поршень 16, преодолевает сопротивление пружины 23 и смещает скользящий подпружиненный упор 21 вниз, который конической поверхностью своих пальцев при смещении вниз передает смещение в перпендикулярном направлении режущему вращающемуся инструменту 32. Скользящий подпружиненный упор 21 совершает движение вниз за счет действия поршня 16 и одновременно с этим совершает вращательное движение за счет взаимодействия с режущим инструментом 32, вращающимся вместе с маховиком 26. Пальцы скользящего подпружиненного упора 21 при своем движении вниз заходят в сквозные проемы 35 маховика 26, сдвигая своей конической поверхностью режущий инструмент 32 в перпендикулярном направлении на заданную величину, так как между давлением рабочего агента на поршень 16, сопротивлением пружины 23 и упругого элемента 33 существует однозначная зависимость.

Таким образом, с помощью известного давления рабочего агента, подаваемого в НКТ с поверхности земли, знают величину выхода режущего инструмента, а по диаметру необсаженной скважины определяют затем глубину концентраторов напряжений (остроугольных канавок) на ее стенках в плоскостях, перпендикулярных оси скважины. Уплотнение маховика 26 на корпусе 11 производят с помощью кольцевых канавок 31, а шарнирное вращательное движение маховика 26 обеспечивают за счет подшипников качения 20, 22 и 27. Подшипник качения 27 фиксируют на корпусе 11 с помощью гаек 28 и 29. Режущий инструмент 32 (фиг. 4, 9) в виде лопастей с режущей кромкой 40, 41 (фиг.7, 8) располагают в радиальном направлении против сквозных проемов 35 в маховике 26 в пазах 38, служащих направляющими для перемещения режущего инструмента, а сверху прикрытого фигурным фланцем 36, жестко скрепленным с корпусом маховика 26 с помощью винтов 37 (фиг.4, 5, 9).

Вращательный момент маховика 26 зависит от величины давления рабочего агента, подаваемого в выхлопные каналы 34, а также и от радиуса приложенных сил реакции вытекающих струй. На фиг.6 приведен разрез Б-Б на фиг.5, из которого видно, что если патрубки 39 Г-образной формы приварить к корпусу маховика 26, то будем иметь постоянный радиус приложения реакций вытекающих струй рабочего агента, а если их изготовить в виде подпружиненных, то будут иметь при выдвижении патрубков увеличенный радиус приложения реакций струй и следовательно за счет этого повышают вращательный момент маховика 26 и его мощность, передаваемую режущему инструменту 32.

На фиг.9 показан вариант устройства, содержащего режущий инструмент 32, исключающий механические связи в виде подшипников качения 20, 22 и 27 и заменяющий их на гидравлические связи типа гидравлической смазки. Этого достигают за счет введения сообщающихся между собой тонких каналов 42, 43, 48 соответственно в корпусах поршня 16, нажимной втулки 17, в корпусе 11 и выполнения сходящихся каналов 44, 45 соответственно на стыке нажимной втулки 17 и скользящего подпружиненного упора 21 и колец 46 и 47. Известно, что расход рабочего агента по тонким каналам 42, 43, 48 не превосходит определенной заданной величины при заданной величине его давления. Остальной расход рабочего агента, подаваемого в канал 13 по НКТ, будет потребляться на приведение во вращательное движение маховика 26. Сходящиеся каналы 44 и 45 на выходе из них имеют площадь равную нулю и фактически являются тоже концентраторами напряжений. Поэтому при определенном давлении рабочего агента, подаваемого в каналы 13, 14, 42, 43, 44, 45, 48, на выходе из каналов 44, 45 будет создаваться бесконечное давление, которое размыкает их берега и сбрасывает это давление в окружающую среду. Вытекающая жидкость служит гидродинамической смазкой. Существует определенное давление рабочего агента, которое не даст сомкнуться берегам каналов 44, 45 до исходного состояния под возвратным действием пружины 23 и в этих создавшихся равновесных условиях гидродинамической смазки резко уменьшаются трение, шумы, вибрация, и маховик 26 вместе со скользящим подпружиненным упором 21 вращается в плавающем режиме.

Тарирование давления рабочего агента на максимальное сжатие пружины 23 и максимальный выход режущего инструмента 32 из пазов 38 производят предварительно, после чего процесс нарезания концентраторов напряжений на стенках скважины становится управляемым с поверхности Земли. По прошествии некоторого времени концентраторы напряжений на стенках скважины выполнены, давление в НКТ плавно сбрасывают до нуля, пружина 23 возвращает скользящий подпружиненный упор 21 и поршень 16 в исходное состояние, при этом пальцы скользящего подпружиненного упора 21 выйдут вверх из сквозных проемов 35 в корпусе маховика 26, упругий элемент 33 приведет режущий инструмент в исходное состояние, после чего НКТ поднимают или опускают вместе с устройством (фиг. 4-10) на следующий глубинный уровень в скважине и цикл операций повторяют.

На фиг.10 показан поперечный разрез В-В на фиг.9, из которого видно, что нажимная втулка 17 содержит каналы 43 и подпружиненные выступы 18, размещенные своими концами в продольных пазах 19 корпуса 11, предназначенные для обеспечения поступательного перемещения нажимной втулки 17 вдоль оси корпуса 11 и подачи гидродинамической смазки в область шарнирного стыка нажимной втулки 17 и скользящего подпружиненного упора 21.

На фиг.11 представлен продольный разрез устройства, предназначенного для создания концентраторов напряжений на стенках необсаженной скважины вдоль ее образующих.

Оно содержит корпус 49 с конической резьбой 50, предназначенной для подсоединения к НКТ, пробку 51, уплотняемую гайкой 52, патрубки 53, пропущенные через пробку 51 и уплотняемые в ней с помощью уплотнительных колец 54 и штуцеров 55, отводы 56, герметично подсоединенные к свободным концам патрубков 53, оснащенные радиальными каналами 57 и 58 и продольными каналами 59, заглушенными с одной стороны пробками 60, муфты 61 с кольцевым пазом 62 и радиальным каналом 63, шарнирно надетые на отводы 56 и уплотненные с помощью уплотнителей 64, опорных подшипников 65 и гаек 66, изогнутые трубопроводы 67, одними концами герметично подсоединенные к муфтам 61 напротив радиального канала 63, а другими концами к полому валу 68, оснащенному радиальными каналами 69, имеющими связь с выхлопными каналами 70 гидропривода 71, жестко связанного с режущим инструментом 72. Гидропривод 71 шарнирно закреплен на полом валу 68 с помощью опорных подшипников 73 и гаек 74.

Изогнутые трубопроводы 67 снабжены приваренными к ним кронштейнами 75 с проушинами для крепления и стягивания фиксаторов 76 трубопроводов двусторонним болтом 77 с правой и левой резьбой. Эти же трубопроводы 67 оснащены отклоняющими устройствами 78, изображенными в продольном разрезе на фиг.12.

Отклоняющее устройство 78 (фиг. 12) включает отвод 79, присоединенный одним концом к патрубку 80, приваренному к изогнутому трубопроводу 67, а другим - к втулке 81 отклоняющего устройства с радиальным каналом 82 и выхлопным патрубком 83, приваренным к стенке втулки 81 напротив радиального канала 82. Внутри втулки 81 размещен подпружиненный с уплотнениями клапан 84 и упорный патрубок 85 с каналами 86. Упорный патрубок 85 предназначен для опоры верхнего края пружины 87.

Устройство (фиг.11, 12) работает следующим образом. После подсоединения устройства к НКТ с помощью конической резьбы 50 его спускают в заданный интервал скважины и отмечают с помощью угломера исходное положение режущего инструмента. Затем подают в НКТ начальное давление "p1" рабочего агента (например, воды), который поступает по осевому каналу корпуса 49, затем в каналы патрубков 53, размещенных и уплотненных в пробке 51 с помощью уплотнительных колец 54, штуцеров 55. Сама пробка 51 уплотняет зазор между собой и корпусом 49 с помощью гайки 52. Из каналов патрубков 53 рабочий агент поступает в каналы 57, 58, 59 отводов 56, из которых следует по радиальным каналам 58 в кольцевой паз 62 муфты 61 и радиальный канал 63, из которых он попадает в изогнутые трубопроводы 67, а из них в выхлопные каналы гидропривода 71, жестко связанного с режущим инструментом 72. С помощью реакции вытекающих струй рабочего агента гидропривод вместе с режущим инструментом приводят во вращательное движение. Теперь нужно отклонить режущий инструмент, чтобы он пришел в соприкосновение со стенкой необсаженной скважины. Для этого по НКТ подают рабочий агент с давлением р2>р1, при котором подпружиненный клапан 84 отклоняющих устройств 78 поднимается вверх, освобождая запертый до этого канал 82, из которого рабочий агент попадает в выхлопной патрубок 83, реакция струи которого отклоняет систему, состоящую из изогнутых трубопроводов 67, полого вала 68, гидропривода 71 и режущего инструмента 72, до соприкосновения со стенкой скважины. Поднимая и опуская многократно НКТ вместе с работающим режущим инструментом в пределах заданного интервала, создают первый вдоль образующей скважины концентратор напряжений с остроугольным профилем. Затем давление в НКТ снижают до давления р1, при котором сжатая пружина
87 возвращает подпружиненный с уплотнениями клапан 84 в исходное нижнее положение, запирая радиальный канал 82.

С помощью угломера на поверхности земли НКТ вместе с устройством (фиг. 11, 12) поворачивают на требуемый угол (например, 45^o или 90^o) и операции повторяют по нарезанию продольных концентраторов напряжений. Количество "n" продольных концентраторов напряжений на стенках скважины определяют исходя из заданного угла ϕ между двумя соседними концентраторами
n = 360°/ϕ
После нарезания продольных концентраторов напряжений на стенках скважины режущий инструмент извлекают.

По предлагаемому способу после нарезания двух горизонтальных концентраторов напряжений на стенках скважины, ограничивающих пласт 1 сверху и снизу, необходимо приступить в них к производству гидроразрыва в двух горизонтальных плоскостях. Для этого спускают в скважину в составе буровой колонны 88 набор устройств, позволяющих произвести гидроизоляцию горизонтального окружного концентратора 7 напряжений и подачу в его область повышенного давления жидкости, способного вызвать гидроразрыв 8 пород в горизонтальной плоскости (фиг. 2, 13), включающий золотниковое устройство 89, предназначенное для управления работой верхнего 90 и нижнего 91 пакеров, втулку 92, подпружиненный клапан 93, предназначенный для обеспечения связи канала 94 с силовым гидроцилиндром 95, насос-мультипликатор 96.

На фиг.14 показан продольный разрез спускаемого в скважину устройства в составе буровой колонны 88, бурового инструмента 97, золотникового устройства 89, верхнего 90 и нижнего 91 пакеров, размещенных соответственно на корпусах 98, 99, втулки 92, подпружиненного клапана 93. В корпусах 98, 99 выполнены соответственно продольные каналы 100 и 101; 102, 103, 104; радиальные 105, 106, 107; 108, 109, 110, 111, 112. Продольные каналы 100 и 102 сообщены между собой и с радиальными каналами 105, 111; продольные каналы 101, 103 сообщены между собой и с радиальными каналами 107, 109; продольный канал 104 сообщен с радиальным каналом 108 и с золотниковым устройством 89. Роль радиальных каналов 110 и 112 будет объяснена при описании золотникового устройства 89 во взаимодействии с другими уже указанными каналами.

На фиг. 15 показан продольный разрез спускаемого устройства в составе буровой колонны 88 (фиг. 14) с добавлением спущенного на НКТ 115 силового гидроцилиндра 95 и насоса-мультипликатора 96, у которых продольный канал 116 сообщен с радиальными каналами 117, 114 и 108 и продольным каналом 104, связанным с золотниковым устройством 89. А продольный канал 118 сообщен с помощью радиального канала 119 с радиальными каналами 113 и 106.

На фиг. 16 представлен продольный разрез нижней части спускаемого устройства в составе корпуса 99, нижнего пакера 91, нижней части подпружиненного клапана 93, втулки 92 с продольными каналами 120, прижатой к внутреннему выступу корпуса 99 с помощью фланца 121 и гаек 122, 123. Фланец 121 оснащен сквозными продольными каналами 124, продольными каналами для размещения в них подвижных игольчатых клапанов 125 и осевым каналом, внутри которого шарнирно размещен хвостовик подпружиненного клапана 93. На конце последнего жестко установлен фланец 126 с жестко установленными в нем игольчатыми клапанами 125. Выше фланца 121 жестко установлен фланец 127 с уплотнениями, продольными каналами 128, предназначенными для их перекрывания игольчатыми клапанами 125, когда подпружиненный клапан 93 занимает крайнее верхнее положение, кольцевым углублением 129, предназначенным для размещения пружины 130, продольным осевым каналом, в котором размещен и уплотнен хвостовик втулки 92. Наружная поверхность фланца 127 оснащена выступами, предназначенными выполнять роль шпонок и предотвращать его перемещение в окружном направлении. Снизу фланец 127 жестко прижат к выступу корпуса 99 двумя гайками 131. Выше фланца 127 внутри корпуса 99 с возможностью скольжения по поверхности хвостовика втулки 92 установлен подпружиненный золотник 89 с уплотнениями на внутренней и наружной поверхностях.

При положении золотника 89 в крайнем нижнем положении, когда его нижний торец и верхний край фланца 127 совмещены, канал 110 оказывается размещенным между уплотнениями 132 и 133, каналы 111 и 112 соответственно между уплотнениями 134 и 135, 135 и 136, а канал 109 - выше верхнего края золотника.

В крайнем верхнем положении золотника (фиг.16) каналы 111 и 112 сообщены через полость 137, каналы 110 и 128 - через полость 138, а каналы 103, 109 отключены от каналов 108, 104, 120.

На фиг.14 имеем крайнее верхнее положение золотника 89 и при этом положении каналы 105, 100, 102, 111, 112, 110, 128 сообщены между собой, что фактически означает сообщаемость надпакерного, внутрипакерного и подпакерного пространств. В положении, когда золотник 89 находится в крайнем нижнем положении (фиг.15), сообщаемость каналов 105, 100, 102, 111, 112, 110, 128 отсутствует, что фактически означает разобщенность надпакерного, внутрипакерного и подпакерного пространств. Такое положение золотника благоприятно для заполнения внутрипакерного пространства рабочим агентом по сообщающимся каналам 116, 117, 114, 108, 104, 120, 109, 103, 101, 107 до величины заданного давления, обеспечивающего изоляцию горизонтального окружного концентратора 7 напряжений между двумя пакерами 90 и 91.

Следует заметить, что спускаемое устройство гидроразрыва пласта (фиг.14, 15, 16) может не оснащаться буровым инструментом 97.

Сам силовой гидроцилиндр 95 оснащен в нижней своей части жестко присоединенным к нему путевым переключателем давления 139 (фиг.17), предназначенным для запирания заданного давления рабочего агента в верхнем и нижнем пакерах 90 и 91 и открывания каналов 118, 119, 113, 106 для подачи давления рабочего агента в область горизонтального окружного концентратора 7 напряжений.

Путевой переключатель давления 139 (фиг.17) жестко присоединен к силовому гидроцилиндру 95 с помощью конической резьбы. В стенке корпуса путевого переключателя давления 139 выполнены сообщающиеся между собой радиальные каналы 140, 141 и продольный канал 142, а также сообщающиеся радиальный канал 143 и продольный канал 144, сообщающиеся радиальные каналы 145, 146 и продольный канал 147. Внутри корпуса путевого переключателя 139 давления размещена втулка 148 с буртом, в стенке которой выполнены радиальные каналы 149, 150, 149', сообщающиеся соответственно с радиальными каналами 140, 143 и 145. Втулка 148 с буртом жестко фиксируется внутри корпуса путевого переключателя 139 давления с помощью гайки 151. Внутри втулки 148 выполнена перемычка 152 с осевым каналом. На верхний край перемычки 152 опирается пружина 153. На нижний край перемычки 152 опирается пружина 154. Снизу под перемычкой 152 выполнен цилиндр с размещенным в нем ступенчатым поршнем-открепителем 155, пропущенным через осевой канал перемычки 152 и подпружиненным пружиной 154, закрытый герметично крышкой 156, жестко поджатой гайкой 157.

В ступенчатом поршне-открепителе 155 выполнена кольцевая проточка, заключенная между двумя кольцевыми уплотнениями, имеющая гидравлическую связь с продольным каналом 142 с помощью радиальных каналов 150' и 140', выполненных соответственно в боковых стенках втулки 148 и путевого переключателя 139, не пересекающих продольный канал 144. При создании давления в пакерах 90, 91 рабочий агент поступает в их внутрипакерное пространство по каналу 142. При этом кольцевая проточка в ступенчатом поршне-открепителе 155, связанная с каналом 142, играет роль глухого отвода во время процесса пакеровки.

В крышке 156 выполнены осевой глухой канал 158, сообщающийся с радиальными каналами 159, 150, 143. Сверху над перемычкой 152 выполнен второй цилиндр, внутри которого размещен ступенчатый поршень 160 с осевым каналом, оснащенный в его нижней части упругими фиксаторами 161, закрытый герметично крышкой 162, оснащенной ступенчатым выступом 163 с цилиндрическими поверхностями и поверхностью, увеличивающей книзу площадь своего поперечного сечения, и радиальными каналами 164, 165, сообщающимися с осевым каналом 166. Радиальный канал 165 ступенчатого выступа 163 в исходном состоянии ступенчатого поршня 160 сообщен с его радиальным каналом 167 и радиальными каналами 149 и 140. Ступенчатый поршень 160 надет на ступенчатый выступ 163 и подпружинен пружиной 153. Радиальный канал 141, продольный канал 142 сообщены с каналом 116 и далее с внутрипакерным пространством (фиг.15, 17). Продольный канал 147 и радиальный канал 146 сообщены с каналом 118, имеющим связь с радиальными каналами 119, 113, 106, предназначенными для обеспечения выхлопа рабочего агента в область горизонтального окружного концентратора напряжений 7 на стенках скважины (фиг.15, 17).

На фиг. 18 показан продольный разрез силового гидроцилиндра 95 и насоса-мильтипликатора 96, жестко соединенных соответственно снизу вверх между собой. Силовой гидроцилиндр 95 содержит внутри своего корпуса ступенчатый поршень 168 с кольцевой выточкой 169 заданной длины, обеспечивающей максимальное смещение ступенчатого поршня снизу вверх при подаче на его нижний край давления рабочего агента из насоса-мультипликатора 96 по трубопроводу (каналу) 170 через обратный клапан 171, пружину сжатия 172, рассчитанную на максимальное давление, обеспечивающее надежную пакеровку и гидроразрыв пласта в зоне горизонтального окружного концентратора напряжений 7, корпус 173 клапана, предназначенного для сброса накопленного максимального давления в силовом гидроцилиндре 95, с выполненными в нем осевыми каналами 174, 175, продольным каналом 176, с выполненными на наружной и внутренней поверхностях кольцевыми выточками 177, 178, клапан 179 с выполненными в нем радиальным каналом 180, продольным каналом 181, наклонным каналом 182, пружину сжатия 183, обратный клапан 184, подводящий трубопровод (канал) 185, сообщающийся через кольцевую выточку 169 с трубопроводами (каналами) 186, 187, 188, открытыми для давления рабочего агента, подаваемого в насосно-компрессорные трубы (НКТ), уплотнительные кольца 189, 190, предназначенные для изоляции входа трубопровода (канала) 186 в пределах заданного перемещения поршня 168 снизу вверх.

Насос-мультипликатор 96 расположен выше силового гидроцилиндра 95, жестко скрепляется с ним и содержит цилиндр 191 высокого давления, ступенчатый поршень 192 и гидроударное устройство 193, расположенное выше насоса-мультипликатора и предназначенное для проведения гидроударов на верхний край шарнирно связанного с ним ступенчатого поршня 192 (см. авт. св. СССР 1716108 А1, М. кл. Е 21 В 43/25 "Устройство для проведения гидроударов на призабойную зону пласта "импульс"", 14.06.89 г., БИ 8, 29.02.92 г.), возвратную пружину 194 ступенчатого поршня 192, цилиндр 191 насоса-мультипликатора 96 оснащен входным трубопроводом (каналом) 195 с обратным клапаном 196, выходным трубопроводом (каналом) 197 с обратным клапаном 171. Гидроударное устройство 193 или его разновидность могут располагаться в составе оборудования на поверхности земли (см., например, авт. св. СССР 1701896 А1, М. кл. Е 21 В 43/28, 43/25 "Способ повышения проницаемости горных пород на месте залегания и устройство для его осуществления", 01.02.89 г., БИ 48, 30.12.91 г.).

Следует заметить, что назначение устройства по авт. св. СССР 1716108 А1 было иным, чем по предлагаемому. В нашем случае гидроудары используются в качестве гидропривода насоса-мультипликатора. То же самое можно сказать и по поводу авт. св. СССР 1701896 А1, которое предназначено для использования на небольших глубинах залегания скальных рудных пород, гидроудары которого используются в нашем случае в качестве гидропривода насоса-мультипликатора и их усиления по величине создаваемого давления.

Стенки составных корпусов гидроударного устройства 193, насоса-мультипликатора 96 и силового гидроцилиндра 95 оснащены трубопроводом (каналом) 144, предназначенным для подачи давления на нижний край поршня-открепителя 155 (фиг.17, 18).

Верхний край гидроударного устройства 193 жестко соединен с нижним краем переводника 198, верхний край которого жестко соединен с НКТ.

В составе переводника 198 (фиг.19), предназначенного для жесткого соединения гидроударного устройства 193 и НКТ 115, расположена подпружиненная втулка 199 с осевым каналом 200 и конической поверхностью 201, обращенной своим телесным углом вверх, с пружиной 202, уплотнительными кольцами 203, между которыми расположен вход в канал (трубопровод) 144. Эта подпружиненная втулка 199 предназначена в случае необходимости для запуска рабочего агента с определенным заданным давлением в канал (трубопровод) 144 при перекрытии ее осевого канала 200 с помощью сбрасываемого вниз с поверхности земли по НКТ гладкого шара, который в конце своего падения располагается на конической поверхности 201. Шар на фиг.19 не приведен, так как этот прием хорошо известен.

На фиг.20 представлена схема пакеровки в момент после проведенного гидроразрыва пласта в зонах горизонтальных окружных концентраторов 7 напряжений и выполнения вертикальных прямолинейных концентраторов 9 напряжений на стенках скважины. Расположение пакеров точно такое же, как показано на фиг.15, только здесь вместо двух размещено попарно четыре пакера. Внутри корпуса самого нижнего пакера размещено золотниковое устройство 89 (фиг.15, 16), а заполнение внутрипакерного пространства каждого вышерасположенного пакера рабочим агентом начинают по каналам, ответвляющимся от каналов нижнего пакера, как это показано на фиг.15. В результате пакеровки каждая горизонтальная трещина 8 в пласте оказывается изолированной между двумя пакерами, верхняя трещина - внутри верхней пары пакеров 90' и 91', а нижняя трещина - внутри нижней пары пакеров 90 и 91.

После пакеровки и изолирования горизонтальных трещин между пакерами остается подать повышенное давление в зону между средними пакерами, в которой на стенках скважины выполнены вертикальные прямолинейные концентраторы 9 напряжений. В условиях повышенного давления, подаваемого по каналу 94, расположенному между средними пакерами, точно так же, как это показано на фиг. 15, произойдет гидроразрыв вертикальных трещин по направлениям, определяемым вертикальными плоскостями. Распространение трещин в вертикальных плоскостях будет ограничено берегами горизонтальных трещин. Поскольку вертикальная составляющая горного давления почти всегда гораздо выше тангенциальной (окружной) составляющей, то смыкания вертикальных трещин не произойдет. В результате такого гидроразрыва резко увеличивается площадь фильтрации пластовых флюидов, повышающая их отбор.

Теперь после гидроразрыва, подавая повышенное давление рабочего агента, можно добиваться постепенного разуплотнения пород и расширения его зоны, так называемого дилатантного разрыхления объема породы, сопровождающегося увеличением проницаемости.

Когда поставленная цель достигнута, необходимо извлечь из скважины спускаемое оборудование. Для этого внутри НКТ бросают гладкий шар, перекрывающий в конце своего падения осевой канал 200 подпружиненной втулки 199, размещенной внутри переводника 198. Подавая некоторое давление рабочего агента по НКТ, под действием которого втулка 199 с гладким шаром опускается вниз до упора, канал 144 становится открытым для поступления в него рабочего агента из НКТ, и далее по радиальным каналам 143, 150, по осевому каналу 158 на нижний край ступенчатого поршня-открепителя 155, под действием которого он начнет двигаться вверх, открепляя своим верхним краем упругие фиксаторы 161 от замкового соединения со ступенчатым выступом 163 крышки 162, в результате чего ступенчатый поршень 160 под действием пружины 153 начнет двигаться вверх, соединяя каналы 166, 165, 167, 149, 140, 142, 141, 116 и разъединяя каналы 166, 164, 149', 145, 147, 146, 118. При движении ступенчатого поршня-открепителя 155 вверх откроются каналы 150', 140', 142 для гидравлической связи с каналом 158, в результате чего давление рабочего агента во внутрипакерном пространстве начнет падать, поступая в каналы 158, 159, 150, 143, 144 и далее в НКТ, т.к. в НКТ давление гораздо ниже, чем давление во внутрипакерных пространствах. Наступит момент, когда давление на золотниковое устройство 189 станет ниже силы сжатия его пружины 130, в результате чего оно займет свое верхнее крайнее положение, соединяя полостью 137 внутрипакерные пространства с подпакерным и надпакерным пространствами с помощью каналов 112, 111, 102, 128, и упругие элементы пакеров займут свое начальное исходное положение. Затем, поднимая вверх НКТ 115 и присоединенные к ним насос-мультипликатор 96 с силовым гидроцилиндром 95 на поверхность земли, освобождают внутритрубное пространство буровой колонны (88, 98, 99, 97), после чего извлекают из скважины и саму буровую колонну, в составе которой расположены пакеры 90, 91.

Описанные операции повторяют в следующей скважине, в которой необходимо на заданной глубине произвести гидроразрыв и дилатантное разрыхление пород в зоне гидроразрыва.

Схема производства гидроразрыва пласта и повышения его проницаемости допускает и другие варианты (фиг.21), например, вместо силового гидроцилиндра 95 предлагаем использовать пороховой заряд, при подрыве которого образуется определенный объем пороховых газов с расчетным давлением, достаточным совершить работу гидроразрыва пласта с помощью подпружиненного полого поршня 204, пакерного устройства 205, камеры повышенного давления 206, клапана 207 всаса рабочего агента (например, воды), клапана 208 выхлопа рабочего агента высокого давления, обсадной колонны 209 с перфорационными отверстиями 210, пружины 211, уплотнений 212, выпускного канала 213.

Всас рабочего агента в камеру 206 повышенного давления осуществляют по каналу (трубопроводу) 214. Рабочий цилиндр, предназначенный для движения подпружиненного полого поршня 204, содержит корпус 215, жестко соединенный с корпусом 216 камеры 206 повышенного давления в составе буровой колонны 217 (фиг. 22). Пороховой заряд 218 размещают в полости камеры 219 высокого давления внутри корпуса 220 рабочего цилиндра 215 над подпружиненным поршнем 204 (фиг. 22). Корпус 220 жестко соединен с корпусом 215 в составе буровой колонны 217, оснащен кольцевой проточкой 221 и каналом 222, гидравлически связанным с каналом 214. Патрон 223 порохового заряда 218 жестко закреплен своим верхним краем к нижнему краю корпуса 224, жестко закрепленного в корпусе 220 и уплотненного кольцевыми уплотнениями 225. Корпус 224 находится в составе НКТ, жестко скрепляясь с ними. В верхней части патрона 223 размещен капсюль 226, а в нижней части корпуса 224 размещен подпружиненный боек 227 с укрепленной на его верхней части конусной головкой 228, предназначенной для захвата 229, спускаемого с поверхности земли внутри НКТ с помощью троса 230. Корпуса 220 и 224 оснащены радиальными каналами, соответственно 231 и 232, имеющими пневматическую связь с выпускным каналом 213.

На фиг. 23 приведена схема компоновки пакерного устройства для варианта применения порохового заряда 218 вместо силового гидроцилиндра 95. На фиг.21 пакер (герметизирующий элемент) 205 показан условно без расшифровки запуска его в работу, а на фиг.23 приведено его конкретное исполнение, в котором корпус 216 камеры 206 высокого давления несет на своей внешней поверхности втулку 233, шарнирно связанную с корпусом 216 и со ступенчатой втулкой 234, шарнирно связанной со стаканом 235. Дно стакана 235 выполняет роль отражателя. Геометрия дна может быть конической. Степень свободы продольного перемещения шарнирного соединения обеспечивают за счет выполнения Т-образных пазов 236 в стенках соответственно корпуса 216, втулки 234, стакана 235 и закрепления болтов 237, головки которых при сжатии в продольном направлении герметизирующих элементов (пакеров) 205 шарнирно перемещаются внутри Т-образных пазов 236. Стакан 235 оснащен радиальными каналами 238, предназаначенными для гидравлической связи с перфорационными отверстиями 210 в обсадной колонне 209, цементном тампонажном кольце 5, испытуемом пласте 1.

Для сжатия герметизирующих элементов (пакеров) 205 в продольном направлении необходим контакт нижнего края стакана 235 и дна 239 скважины. При этом нужно предусмотреть отток бурового раствора, находящегося в замкнутом объеме 240, ограниченном поверхностями корпуса 216, ступенчатой втулки 234, стакана 235, обсадной колонны 209, перфорационных отверстий в цементном тампонажном кольце 5 и испытуемом пласте 1. С этой целью в стенку корпуса 216 со стороны его нижнего края вмонтирован подпружиненный золотник 241, полость которого гидравлически связана с замкнутым объемом 240 подпакерного пространства с помощью радиального канала 242 в стенке корпуса 216 и с затрубным надпакерным пространством буровой колонны, в составе которой он находится, с помощью канала 243, на фиг.23 показанного пунктирной линией. По мере продольной деформации герметизирующих элементов (пакеров) 205 за счет осевого перемещения буровой колонны под необходимым расчетным усилием с поверхности земли жестко присоединенный к ней корпус 216 опустится вниз, приводя в контакт выступ золотника 241 с дном стакана 235, после которого золотник 241 переместится вверх, перекрывая радиальный канал 242. Пакеры 205, деформируясь в радиальном направлении под действием усилия в продольном, перекрывают зазоры для утечек давления. Теперь наступает момент, когда нужно включить в работу пороховой заряд 218. Для этого внутри НКТ спускают захват 229 на тросе 230, который захватывает коническую головку 228, жестко скрепленную с подпружиненным бойком 227. Поднимают трос 230 на некоторую высоту, оттягивая боек 227 вверх, и отпускают его. Боек 227 под действием пружины с силой ударяет своим острым концом в капсюль 226, в результате пороховой заряд 218 воспламеняется (взрывается), образуя объем газов заданного давления, под действием которого подпружиненный поршень 204 движется вниз, вытесняя рабочий агент из камеры высокого давления за ее пределы в полость 240 и далее в пласт 1 до производства гидроразрыва пласта.

После снижения верхнего края подпружиненного поршня 204 ниже входа выхлопного канала 213 отработанные пороховые газы устремятся по нему и по радиальным каналам 231, 232 во внутреннее пространство НКТ и далее наверх на выхлоп на поверхность земли. После выхлопа отработанных газов подпружиненный поршень 204 двинется вверх, засасывая рабочий агент в камеру 206 через клапан 207 по каналу 214, кольцевой проточке 221, каналам 222 из пространства между НКТ и стенкой буровой колонны 217. Клапаны 208 при этом закрыты. Если одного порохового заряда 218 оказалось недостаточно, то с помощью НКТ с поверхности земли освобождают от крепления корпус 224 вместе с гильзой 223 и поднимают его наверх на поверхность земли. Здесь закрепляют пороховой заряд большей мощности к корпусу 224 и с помощью НКТ спускают его на глубину размещения, где соответствующим продольным перемещением и поворотом закрепляют к корпусу 220. Затем операции повторяют с этим зарядом, пока не будет произведен гидроразрыв. Гидроразрыв фиксируют по скорости движения подпружиненного поршня 204 на заключительной стадии его движения. Извлечение оборудования гидроразрыва пласта из скважины производят путем подъема сначала корпуса 224, а затем буровой колонны, в составе которой находится камера 206 высокого давления. Следует заметить, что после гидроразрыва пласта его испытание на приток осуществляют путем некоторого расслабления сжатия пакеров 205, при котором подпружиненный золотник 241 открывает радиальный канал 242 и поступающий из пласта флюид проходит в межтрубное пространство между НКТ и буровой колонной.

Устройство с использованием порохового заряда 218 допускает и упрощенный вариант с исключением подпружиненного поршня 204 (фиг.21) и глушением канала 213 (фиг. 22), когда давление пороховых газов будет распределяться непосредственно на поверхность флюида в самой буровой колонне при пакеровке путем ее нагружения с поверхности земли (фиг.23).

По уровню флюида в буровой колонне до и после сгорания порохового заряда 218 судят об объеме появившихся трещин после гидроразрыва пласта.

Формула изобретения

1. Способ гидроразрыва пласта и повышения проницаемости горных пород, включающий бурение скважины на заданную глубину, испытание пласта на приток, размещение на устье скважины наземного насосного агрегата для подачи рабочего агента в скважину, вскрывающую пласт полезного ископаемого, воздействие ударными волнами с помощью гидроударного устройства и с передачей их по жидкому волноводу в скважине с последующим поворотом волны от отражателя в пласт, отличающийся тем, что дополнительно на стенках скважины в пределах толщины интересующего пласта выполняют верхний и нижний окружные и прямолинейные концентраторы напряжений с помощью предварительно спускаемого в скважину режущего инструмента, извлекаемого на поверхность земли после их наведения, затем спускают в скважину в составе буровой колонны с системой радиальных и продольных каналов золотниковое устройство, втулку, подпружиненный клапан и сдвоенный пакер, предназначенные для изоляции одного из окружных концентраторов напряжений сверху и снизу его, и после спускают в составе насосно-компрессорных труб - НКТ с системой радиальных и продольных каналов переводник с подпружиненной втулкой, гидроударное устройство, насос-мультипликатор, ресивер высокого давления с управляемым сбрасывающим клапаном - генератор высокого давления - силовой гидроцилиндр, в составе корпуса которого находится путевой переключатель давления, до приведения в функциональную связь систем радиальных и продольных каналов и перечисленных устройств в составе буровой колонны и в составе НКТ и включают в работу с помощью наземного насосного агрегата гидроударное устройство, выполняющее роль гидропривода насоса-мультипликатора для подачи рабочего агента в ресивер высокого давления, по достижении расчетной предельной величины которого его автоматически и циклически сбрасывают во внутрипакерное пространство; после достижения требуемой величины давления рабочего агента во внутрипакерных пространствах его величину повышают с помощью гидроударного устройства и наземного насосного агрегата, при котором происходит сдвиг вниз верхнего подпружиненного ступенчатого поршня и фиксация его положения внутри путевого переключателя, в результате чего давление во внутрипакерных пространствах запирается и открывается канал к изолированному окружному концентратору напряжений и нагнетание давления в нем из ресивера высокого давления производят аналогично с помощью гидроударного устройства и наземного насосного агрегата до гидроразрыва пласта, здесь давление рабочего агента в области окружного концентратора напряжений, поскольку давление во внутрипакерных пространствах заперто и зафиксировано, опускают ниже, чем внутри пакеров; гидроразрыв пласта фиксируют по резкому падению давления при нагнетании рабочего агента с помощью наземного насосного агрегата; после гидроразрыва пласта производят открепление фиксаторов верхнего подпружиненного ступенчатого поршня путевого переключателя давления с помощью давления, подаваемого на нижний край нижнего подпружиненного ступенчатого поршня-открепителя, и сброс давлений во внутрипакерных пространствах и осуществляют их связь с подпакерным и надпакерным пространствами, после чего устройство принимает свое исходное состояние и его перемещают вдоль скважины так, чтобы пакеры изолировали своими уплотнительными элементами другой окружный концентратор напряжений и все действия с ним повторяют аналогично действиям с первым окружным концентратором напряжений; после этого устройство извлекают на поверхность земли и опускают устройство, оснащенное двумя парами пакеров, предназначенными для одновременного изолирования верхнего и нижнего окружных концентраторов напряжений и производства гидроразрыва вдоль прямолинейных концентраторов напряжений на стенках скважины, осуществление которого аналогично гидроразрыву в плоскости окружного концентратора напряжений; после гидроразрыва по прямолинейным концентраторам напряжений на стенках скважины осуществляют расширение зоны разуплотнения пород в макрообъемах и повышения проницаемости с ликвидацией закрытой пористости путем циклического гидроимпульсного воздействия с помощью давления рабочего агента, автоматически сбрасываемого ресивером высокого давления при нагнетании его насосом-мультипликатором; вертикальные трещины не выходят за пределы трещин в горизонтальных плоскостях.

2. Оборудование для гидроразрыва пласта и повышения проницаемости горных пород, включающее жидкий волновод в виде насосно-компрессорных труб, генератор силовых волн для передачи колебаний по жидкому волноводу, гидроударное устройство или гидромолот с возможностью его возвратно-поступательного движения с клапаном и бойком и патрубком высокого давления рабочего агента-воды, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено подпружиненным выдвижным режущим инструментом с маховиком для спуска в скважину, для производства на ее стенках окружных и прямолинейных концентраторов напряжений, при управлении им с поверхности земли, и извлечения этого инструмента из скважины после выполнения концентраторов напряжений, при этом режущий инструмент имеет возможность постоянного или переменного радиусов приложения сил реакции вытекающих струй рабочего агента - воды, имеет механические связи в виде подшипников качения или гидравлические связи типа гидравлической смазки для вращения маховика с режущим инструментом в плавающем режиме без шума и вибраций; отклоняющее устройство для прижимания режущего инструмента к стенке скважины и с управлением его с поверхности земли, а насосно-компрессорные трубы на поверхности земли оснащены угломером для производства прямолинейных концентраторов напряжений на стенках скважины с заданным углом между ними.

3. Оборудование для гидроразрыва пласта и повышения проницаемости горных пород, включающее втулку, подпружиненный клапан, размещенные в составе буровой колонны во внутритрубном пространстве, оснащенные радиальными и продольными каналами, одну пару пакеров, размещенных на внешней поверхности корпусов в составе буровой колонны, силовой гидроцилиндр - генератор высокого давления, переводник для осуществления функциональной связи, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено золотниковым устройством в составе буровой колонны, размещенным в ее внутритрубном пространстве и примыкающим снизу к нижнему торцу втулки, взаимодействующим с подпружиненным клапаном, расположенным выше втулки, и предназначенным для осуществления гидравлической связи внутрипакерных пространств между собой и с генератором высокого давления, с подпакерным и надпакерным пространствами с помощью радиальных и продольных каналов, выполненных в цилиндрической стенке корпусов в составе буровой колонны, силовым гидроцилиндром - генератором высокого давления, размещенным в составе насосно-компрессорных труб - НКТ, выше относительно подпружиненного клапана и жестко связанным с вышерасположенным насосом-мультипликатором, который в свою очередь жестко связан с вышерасположенным гидроударным устройством, и гидроударное устройство жестко связано с вышерасположенным переводником, а верхний край переводника жестко связан с НКТ, в составе корпуса силового гидроцилиндра в нижней его части жестко установлен путевой переключатель давления, в стенке корпуса которого выполнены радиальные и продольные каналы для подачи рабочего агента в пакеры, в область межпакерного пространства, в путевой переключатель давления для перевода его в исходное состояние, предназначенный для запирания заданного давления рабочего агента в верхнем и нижнем пакерах и последующего открывания каналов с направлением от силового гидроцилиндра в область окружного концентратора напряжений для производства гидроразрыва, для сброса давления во внутрипакерных пространствах после производства гидроразрыва пласта с помощью продольного канала, выполненного в боковых стенках корпусов последовательно сверху - вниз переводника, гидроударного устройства, насоса-мультипликатора, силового гидроцилиндра, путевого переключателя давления и перекрытого в переводнике корпусом подпружиненной втулки с осевым каналом и уплотнениями до производства гидроразрыва пласта с возможностью его открытия после производства гидроразрыва пласта для подачи давления рабочего агента на нижний край подпружиненного ступенчатого поршня-открепителя, предназначенного для открепления фиксаторов верхнего подпружиненного ступенчатого поршня путевого переключателя и последующей связи внутрипакерных пространств с помощью золотникового устройства с подпакерным и надпакерным пространствами и с внутренним пространством НКТ для сброса давления рабочего агента.

4. Оборудование для гидроразрыва пласта и повышения проницаемости горных пород по п. 3, отличающееся тем, что при гидроразрыве пласта вдоль прямолинейных концентраторов напряжений на стенках скважины после выполнения гидроразрыва пласта в двух плоскостях окружных концентраторов напряжений на стенках скважины в пределах испытуемого пласта оно дополнительно оснащено двумя парами пакеров, предназначенными для изолирования трещин в горизонтальных плоскостях, и их внутрипакерные пространства гидравлически связаны между собой, а канал высокого давления выведен в зону межпакерного пространства двух средних пакеров.

5. Оборудование для гидроразрыва пласта и повышения проницаемости горных пород, включающее силовой гидроцилиндр, камеру повышенного давления, клапаны всаса и выхлопа рабочего агента, полый подпружиненный поршень, герметизирующий элемент - пакерное устройство, буровую колонну, насосно-компрессорные трубы - НКТ, обсадную колонну с перфорационными отверстиями и цементным тампонажным кольцом, золотниковое устройство, отличающееся тем, что оно дополнительно оснащено пороховым зарядом, при подрыве которого давление пороховых газов распределяется на полый подпружиненный поршень, шарнирно связанный с камерой повышенного давления, содержащей клапаны всаса и выхлопа рабочего агента, выпускным каналом для отработанных пороховых газов, имеющим связь с внутренним пространством НКТ, рабочим цилиндром, предназначенным для движения в нем полого подпружиненного поршня, содержащим корпус, жестко соединенный с корпусом камеры повышенного давления, в составе буровой колонны; пороховой заряд размещен в полости камеры высокого давления внутри корпуса рабочего цилиндра над полым подпружиненным поршнем; корпус рабочего цилиндра оснащен кольцевой проточкой и каналом, гидравлически связанными с пространством, заключенным между стенкой буровой колонны и НКТ, и камерой повышенного давления; патрон порохового заряда жестко прикреплен своим верхним краем к нижнему краю корпуса в составе НКТ, жестко закрепленного в корпусе рабочего цилиндра и уплотненного кольцевыми уплотнениями; в верхней части патрона размещен капсюль, а в нижней части корпуса в составе НКТ размещен подпружиненный боек с укрепленной на его верхней части конусной головкой, предназначенной для захвата, спускаемого с поверхности земли; корпус рабочего цилиндра и корпус в составе НКТ оснащены радиальными каналами для пневматической связи с выпускным каналом отработанных пороховых газов и внутренним пространством НКТ; корпус камеры высокого давления на своей внешней поверхности оснащен втулкой, шарнирно связанной со стаканом, предназначенным для опоры на дно скважины; в стенках корпуса, втулки и стакана выполнены Т-образные пазы под головки закрепленных болтов для возможности шарнирного соединения и перемещения в продольном направлении при сжатии герметизирующих элементов - пакеров; стакан оснащен радиальными каналами, предназначенными для гидравлической связи с перфорационными отверстиями в обсадной колонне, цементном тампонажном кольце, испытуемом пласте в пределах его толщины; стенка корпуса камеры повышенного давления со стороны его нижнего края оснащена подпружиненным золотником с выступом, полость которого гидравлически связана с замкнутым объемом подпакерного пространства с помощью радиального канала в стенке корпуса и с затрубным надпакерным пространством буровой колонны, в составе которой находится корпус, с помощью другого канала; выступ подпружиненного золотника предназначен для контакта с дном стакана и с возможностью перемещения выступа подпружиненного золотника вверх для перекрытия радиального канала по мере деформации пакеров за счет перемещения буровой колонны под необходимым расчетным усилием с поверхности земли и последующего подрыва порохового заряда, а при испытании пласта на приток после производства его гидроразрыва путем снижения усилия на буровую колонну с возможностью перемещения выступа подпружиненного золотника вниз для открывания канала в затрубное надпакерное пространство.

6. Оборудование для гидроразрыва пласта и повышения проницаемости горных пород с использованием порохового заряда по п. 5, отличающееся тем, что оно допускает упрощение за счет исключения полого подпружиненного поршня и глушения выхлопного канала пороховых газов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23