Растворимый клапан для многостадийного гидроразрыва пласта
Изобретение относится к нефтегазовому оборудованию, в частности к оборудованию для заканчивания скважин, и может быть применено при операциях многостадийного гидроразрыва пласта. Технический результат - упрощение операции многостадийного гидроразрыва пласта за счет упрощения используемого средства. Устройство выполнено с возможностью установки в обсадную колонну или в колонный пакер в виде клапанного узла. Этот узел содержит по меньшей мере одну муфту с посадочным гнездом со сквозным отверстием. Посадочное гнездо выполнено с возможностью размещения по меньшей мере одного растворимого шара. При этом муфта с посадочным гнездом выполнена растворимой. Она изготовлена из металла или металлического сплава, обладающих коррозионной активностью в водных технологических скважинных растворах. Растворимый шар изготовлен из металла или металлического сплава, обладающих коррозионной активностью в водных технологических скважинных растворах. Растворимая муфта жестко зафиксирована в обсадной нерастворимой муфте на кольцевом выступе с герметизирующей прокладкой. Эта прокладка препятствует перетоку жидкостей из области над растворимой муфтой в область под растворимой муфтой. Поверхность растворимой муфты, взаимодействующая с шаром, дополнительно снабжена по меньшей мере одним слоем защитного материала, обеспечивающего возможность регулирования скорости коррозии в водных технологических скважинных растворах таким образом, что скорости коррозии растворимой муфты и шара, размещенного в посадочном гнезде, равны или скорость коррозии растворимой муфты меньше скорости коррозии шара. 11 з.п. ф-лы, 4 табл., 7 ил.
Изобретение относится к нефтегазовому оборудованию, в частности к оборудованию для заканчивания скважин, и может быть применено при операциях многостадийного гидроразрыва пласта (МГРП).
Из уровня техники известна муфта для многостадийного гидроразрыва пласта (патент RU 2555989 C1, 2015), содержащая корпус, с внутренними трапециевидными проточками, подвижный элемент в форме трубы с ответным выступом трапециевидной формы на наружной поверхности и седлом для посадки шара внутри, порт для проведения гидроразрыва, шар, активирующий подвижный элемент, полый поршень с отверстиями и поддерживающую пружину, установленную в полости под поршнем. Подвижный элемент выполнен без отверстия и снабжен двумя выступами трапециевидной формы на наружной поверхности и одним седлом. Седло размещено между выступами трапециевидной формы. При наличии нескольких зон гидроразрыва в каждой устанавливается отдельная муфта, перекрывающаяся дополнительным шаром.
К недостаткам следует отнести то, что при многостадийном гидроразрыве возникает необходимость механического удаления шара, муфты со всеми конструктивными элементами путем разбуривания и вымывания разбуренного материала на поверхность, при этом требуется использование специализированного бурового комплекса на срок от нескольких дней до нескольких недель.
Известна конструкция растворимой муфты для гидроразрыва пласта (патент на полезную модель RU 181716 U1, 2018), согласно которому муфта гидроразрыва пласта состоит из полого цилиндрического корпуса с выполненными в нем окнами, верхнего и нижнего переводников, поршней и посадочным седлом под шар, состоящим из трех деталей, выполненных из двух различных материалов.
Недостатком данной конструкции является негерметичность закрытия внутренней детали с высокой скоростью коррозии внешними деталями с низкой скоростью коррозии, особенно в местах их взаимного соприкосновения и в резьбовом канале. Также невозможно использование данной конструкции при многостадийном гидроразрыве пласта, поскольку коррозия муфт на всех горизонтах гидроразрыва будет проходить с одинаковой степенью и после гидроразрыва первого горизонта геометрия канала последующих муфт будет непригодна для надежного перекрытия их клапанным шаром.
Известна конструкция разрывной муфты и способ индикации открытия муфты для гидроразрыва пласта (патент RU 2611083 C2, 2017), согласно которым для осуществления гидроразрыва используется скважинный инструмент с вкладышем и разрывным поясом, который разрывается под действием приложенного в скважину давления, а индикация открытия муфты осуществляется по двум реакциям на давление, указывающим на надежное открытие по меньшей мере одного выпускного отверстия.
Недостатком данной конструкции является наличие движущихся при работе частей в муфте, которые могут быть заклинены грязью и посторонними частицами, содержащимися в скважинной жидкости, а также необходимость механического удаления муфты после операций по гидроразрыву путем разбуривания.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является муфта с разлагающимся шаром, выполняющим функцию растворимого клапана для скважинного использования компании Халлибёртон (патент US 9926483 B2, 2018), согласно которому для герметизации сегментов ствола скважины и приведения в действие инструментов ствола скважины используются шарики из композитного материала, включающего разлагаемый полимер с модулем упругости, равным 2·109 Па или более, а также наполнитель, состоящий из частиц вулканизированной резины, резинового волокна, термопластичных, волокон полимеров, полых стеклянных шариков, полых керамических сфер полых металлических сфер, полых термопластических полимерных сфер, частиц более мягких разлагаемых полимеров и любую их комбинацию.
Недостатком данного решения является сложность конструкции композитного шара клапанной пары, включающего несколько наполнителей, необходимость введения в скважину агрессивных веществ для запуска процесса растворения, к примеру, соляной кислоты, для растворения полимерного материала, что может привести к коррозии самой обсадной колонны и скважинного инструмента, а также сравнительно низкая механическая прочность полимера по сравнению со сплавами металлов.
Технической задачей заявляемого изобретения является упрощение проведения операции многостадийного гидроразрыва пласта (МГРП).
Технический результат - создание клапанного узла с контролируемой скоростью растворения в водных растворах в процессе многостадийного гидроразрыва пласта (МГРП), который обеспечивает упрощение МГРП.
Поставленная задача решается тем, что заявляется растворимый клапан для многостадийного гидроразрыва пласта, выполненный с возможностью установки в обсадную колонну или в колонный пакер в виде клапанного узла, содержащий по меньшей мере одну муфту с посадочным гнездом со сквозным отверстием, при этом посадочное гнездо выполнено с возможностью размещения по меньшей мере одного растворимого шара, отличается тем, что муфта с посадочным гнездом выполнена растворимой и изготовлена из металла или металлического сплава, обладающих коррозионной активностью в водных технологических скважинных растворах, растворимый шар изготовлен из металла или металлического сплава, обладающих коррозионной активностью в водных технологических скважинных растворах, упомянутая растворимая муфта жестко зафиксирована в обсадной нерастворимой муфте на кольцевом выступе таким образом, чтобы предотвратить возможность перетока жидкостей из области над растворимой муфтой в область под растворимой муфтой, при этом поверхность растворимой муфты дополнительно снабжена по меньшей мере одним слоем защитного материала, обеспечивающего возможность регулирования скорости коррозии в водных технологических скважинных растворах таким образом, что скорости коррозии растворимой муфты и взаимодействующего с ней шара равны или скорость коррозии растворимой муфты меньше скорости коррозии взаимодействующего с ней шара.
Здесь и далее под клапаном понимается совокупность шара и муфты, под муфтой понимается растворимая муфта, а под шаром понимается растворимый шар.
Для предотвращения перетока жидкостей из области над растворимым клапаном в область под растворимым клапаном между растворимой муфтой и нерастворимой обсадной муфтой размещается прокладка, выполненная из упругодеформируемого полимерного материала. В качестве полимерного материала может быть использован полилактид, поливиниловый спирт, либо иной другой полимер, который способен медленно растворяться в воде или в водных растворах химических веществ. Также допускается в качестве полимерных материалов использование силиконовых, фторопластовых, силикатных герметиков.
Жесткая фиксация растворимой муфты осуществляется в обсадной нерастворимой муфте и может быть осуществлена, например, посредством гайки.
Нерастворимая обсадная муфта и гайка выполнены из стали, способной выдержать нагрузку от давления в скважине, например, сталь 09Г2С, 40Х. Предпочтительно нерастворимая обсадная муфта и гайка выполнена из того же материала, из которого изготовлена и обсадная колонна. Это ликвидирует разницу электрохимических потенциалов и предотвратит коррозию колонны при длительной эксплуатации скважины.
Растворимая муфта может быть снабжена внешней, либо внутренней как конической, так и цилиндрической резьбой, либо канавками или иными аналогичными конструктивными элементами для надежной установки растворимой муфты в обсадную колонну или в колонный пакер.
В зависимости от конфигурации пакера, а также условий эксплуатации скважины, посадочное гнездо для размещения шара может иметь разную форму, а именно в форме усеченного конуса или выполнено в виде поверхности сопряжения как минимум двух или более усеченных конусов либо имеет поверхность сопряжения усеченных конусов и сферической поверхности.
Посадочное гнездо снабжено сквозным отверстием, диаметр которого обеспечивает возможность свободного прохождения шара после частичного растворения последнего. Предпочтительно, диаметр сквозного отверстия меньше исходного диаметра шара на величину от 1 до 10 мм. Соотношение диаметров сквозного отверстия посадочного гнезда и шара определяется исходя из скорости коррозии материала изготовления шара, скорости коррозии материала растворимой муфты и условий эксплуатации скважинного оборудования.
Растворимая муфта и шар, выполненный растворимым, могут быть изготовлены из металла или сплава, способного подвергаться коррозии в водных растворах, а именно в водных технологических скважинных растворах. В качестве материала растворимой муфты может быть использован алюминий и его сплавы (дюралюминий, силумин и другие), магний и его сплавы (МЛ-1, МЛ-5 и другие), а также сплавы алюминия, магния, кальция, цинка и других аналогичных сплавов, содержащих один или несколько компонентов: Al до 99,9%, Cu до 5,5%, Mn до 2,5%, Ti до 0,3%, Mg 1,5-99,9%, Zn до 5,5%, Ca до 15,0%, Zr до 1,5%, Be до 0,002%, Nd до 2,6%, Cd до 1,0%. Для случаев использования растворимой муфты при давлении свыше 400 атм в сплав дополнительно могут быть введены редкоземельные металлы (Nd, Y и другие) в количестве до 4,5%.
Для защиты элементов растворимого клапана (растворимой муфты и шара) от преждевременного коррозионного разрушения и обеспечения регулируемой скорости коррозии, их поверхности, взаимодействующие друг с другом, дополнительно покрывают защитными материалами, например, чистыми металлами (алюминием, магнием, цинком) методом газопламенного напыления или электрохимического осаждения, либо водорастворимыми полимерами (полибутираты, полибутиленсукцинаты, поливиниловый спирт, поликапролактоны и другие аналогичные), либо неорганическими покрытиями (фосфатирование, оксидирование и другие). Элементы растворимого клапана могут иметь до 3 (трех) слоев защитных покрытий, препятствующих преждевременному разрушению его в скважине.
Для коррозионного разрушения элементов растворимого клапана используют водные растворы кислот, например, соляной, серной, лимонной и других, либо растворы щелочей, например, гидроксида натрия, гидроксида калия и других, либо растворы солей, например, хлорид натрия, хлорид калия, нитрат натрия и других. Наиболее предпочтительным является использование водных растворов щелочей или солей, поскольку они наименьшим образом оказывают коррозионное воздействие на материал обсадной колонны.
Растворимая муфта может быть изготовлена любым известным специалистам способом, например, путем прессования, при котором мелкие частицы сырьевых металлов смешиваются в заданной пропорции и прессуются в форме готового изделия, или методом порошковой металлургии, при которой частицы сырья смешиваются и спекаются при температурах ниже температуры плавления, или посредством литья, при котором расплав металла или сплава заливается в формы и затвердевает при охлаждении.
Шар может быть изготовлен путем ковки на механической наковальне, после чего наружная поверхность шлифуется, или литьем, при котором расплав металла или сплава заливается в формы и затвердевает при охлаждении.
Шар и растворимая муфта могут быть изготовлены из материалов, имеющих равную скорость коррозии, или скорости коррозии материалов их изготовления могут различаться. Для изготовления шара используют более коррозионно-активный материал, в том числе для случаев применения нескольких шаров на одной муфте.
Например, шар может быть изготовлен из коррозионно-активного сплава МА-5, имеющего высокую коррозионную активность, а растворимая муфта может быть изготовлена из сплава Д16, обладающий меньшей коррозионной активностью. Подобрать соответствующие сплавы с одинаковыми или различающимися скоростями коррозии для изготовления шара и муфты возможно на основании известных сведений об их коррозионной активности (см., например, Воробьева Г. А. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств / Издание 2-е, переработанное и дополненное / Москва, "Химия", 1975 год, 816 стр.).
Расчет коррозионной активности, определяющей скорость растворения растворимой муфты и шара, помимо химического состава материала их изготовления, ведут также с учетом удельной поверхности, температуры и химического состава коррозионной среды известными в науке и технике методами.
Заявляемый растворимый клапан иллюстрируется следующими примерами конкретного выполнения, но не ограничивается ими:
На Фиг. 1 схематично показан клапанный узел.
На Фиг. 2 схематично показано посадочное гнездо растворимой муфты: 2А - посадочное гнездо в форме усеченного конуса, 2В - посадочное гнездо с поверхностью сопряжения трех усеченных конусов, 2С - посадочное гнездо с поверхностью сопряжения усеченных конусов и сферической поверхности.
На Фиг. 3 показана схема растворимой муфты с покрытиями из защитного материала.
На Фиг. 4 схематично показан шар с покрытиями из защитного материала.
На Фиг. 5 показана схема расположения растворимых муфт с разными размерами посадочных гнезд.
Заявляемый клапан (Фиг. 1), выполнен в виде клапанного узла, который состоит из растворимой муфты 1, имеющей посадочное гнездо 5 под шар и шара 2, выполненного растворимым. Растворимая муфта 1 размещена в нерастворимой обсадной муфте 3, являющейся несущей частью конструкции скважинной колонны, на кольцевом выступе 6 и жестко фиксируется в ней посредством гайки 4. Растворимая муфта 1 выполнена в форме цилиндра с посадочным гнездом 5, имеющего поверхность сопряжения, обеспечивающей возможность посадки шара 2. Посадочное гнездо 5 снабжено центральным сквозным отверстием 7. Гайка 4 затягивается в нерастворимой обсадной муфте 3 на резьбе таким образом, чтобы была обеспечена герметичность поверхности касания нерастворимой обсадной муфты 3 и растворимой муфты 1. Для улучшения герметичности между растворимой муфтой 1 и нерастворимой обсадной муфтой 3 может быть размещена прокладка из упругодеформируемого полимерного материала (не показана).
Нерастворимая обсадная муфта 3 и гайка 4 выполнены из стали, способной выдержать нагрузку от давления в скважине, предпочтительно из стали той же марки, что марка стали обсадной колонны.
Шар 2 может изготавливаться из тех же металлов и сплавов, что и растворимая муфта 1. При необходимости, материал для изготовления шара 2 может иметь большую скорость коррозионной активности (скорость растворения), чем скорость коррозии материала для изготовления растворимой муфты 1.
Нерастворимая обсадная муфта 3 имеет широко используемые в технологии буровых работ элементы крепления в виде резьбы (не показана) для резьбового соединения с обсадной трубой или с колонным пакером.
В зависимости от конфигурации пакера и условий эксплуатации в скважине, посадочное гнездо 5 растворимой муфты 1 может иметь разные формы, возможные варианты которых показаны на фигуре 2.
Посадочное гнездо 5 может быть выполнено в форме усеченного конуса (Фиг. 2А), либо иметь поверхность сопряжения как минимум двух или более усеченных конусов (Фиг. 2В), либо иметь поверхность сопряжения усеченных конусов и сферической поверхности (Фиг. 2С). Сферическая поверхность посадочного гнезда 5 по варианту 2С предпочтительна в случае работы с давлением при гидроразрыве пласта в скважине свыше 200 атм. Поверхность контакта посадочного гнезда 5 в форме сферы является наиболее близкой к форме шара и вызывает наименьшую деформацию шара и муфты при воздействии давления в зоне над растворимым клапаном. При работе с давлением ниже 200 атм предпочтительнее варианты 2А и 2В.
Для обеспечения регулирования скорости коррозии и для исключения преждевременной коррозии на отдельных участках, растворимая муфта 1 может иметь несколько слоев защитных покрытий (например, три слоя), препятствующих преждевременному разрушению его в скважине. На фиг. 3 показана схема растворимой муфты 1 с покрытиями, а именно: 8 - покрытие из алюминия, 9 - покрытие, полученное фосфатированием, 10 - слой поливинилового спирта. На фиг. 4 показана схема растворимого шара 2 с покрытиями, а именно 11 - покрытие из алюминия, 12 - покрытие, полученное фосфатированием, 13 - слой поливинилового спирта.
В таблице 1 показаны результаты эксперимента по растворению образца шара диаметром 52,0 мм. Материал изготовления шара - алюминиевый сплав (Al 90,0%, Zn 1,0%, Mg 2,5%, Cu 4,5%, Mn 2,0%), предел прочности сплава равен 480 МПа. Коррозионная среда - водный раствор гидроксида натрия (NaOH, pH 11,5-13,0; 80°С). После 260 ч растворения диаметр шара составил менее 42 мм (потеря 10 мм в диаметре), что достаточно для свободного прохождения шара через сквозное отверстие посадочного гнезда.
В таблице 2 показаны результаты эксперимента по растворению образца шара диаметром 50,0 мм. Материал изготовления шара - магниевый сплав (Mg 88,0%, Al 2,0%, Ca 1,5%, Zn 0,5%, Cu 5,5%, Mn 2,5%), предел прочности сплава равен 220 МПа. Коррозионная среда - водный раствор хлорида натрия (3,0% NaCl, pH 6,5; 80°С).
В таблице 3 показаны результаты эксперимента по растворению образца растворимой муфты с внутренним диаметром d 43,0 мм. Материал для изготовления муфты - алюминиевый сплав (Al 88,0%, Zn 1,5%, Mg 4,5%, Cu 5,0%, Mn 1,0%), предел прочности 480 МПа. Коррозионная среда - водный раствор гидроксида натрия (NaOH, pH 11,5-13,0; 80°С). После 380 ч растворения диаметр сквозного отверстия посадочного гнезда составил более 52 мм, что достаточно для свободного прохождения шара диаметром 52,0 мм.
На Фиг. 5 показана схема расположения каскада растворимых муфт 14, 15 и 16 и взаимодействующих с ними соответствующих шаров 17, 18 и 19, выполненных растворимыми, в одном стволе скважины 20. Растворимая муфта 14 имеет наибольший диаметр посадочного гнезда, в растворимой муфте 15 диаметр посадочного гнезда выполнен меньше, чем в растворимой муфте 14, в растворимой муфте 16 диаметр посадочного гнезда выполнен меньше, чем в растворимой муфте 15. Все растворимые муфты 14, 15 и 16 установлены в одном стволе скважины 20 по мере убывания диаметра посадочных гнезд сверху вниз. Шар 19 при попадании на растворимую муфту 16 плотно перекрывает ее. При этом шар 19 свободно проходит через отверстия в муфтах 14 и 15. Аналогично шар 18 при попадании на растворимую муфту 15 плотно перекрывает ее. При этом шар 18 свободно проходит через отверстие в растворимой муфте 14. Также и шар 17 при попадании на растворимую муфту 14 плотно перекрывает ее.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При строительстве скважины происходит последовательная сборка обсадной колонны из стальных обсадных труб и стальных обсадных нерастворимых муфт с помощью резьбовых соединений на трубах и муфтах. Обсадные трубы и обсадные муфты не являются растворимыми. Они рассчитаны на многолетнюю службу в течение срока работы всей скважины (от нескольких лет до нескольких десятков лет).
В обсадную колонну с внутренней стороны с помощью скважинного оборудования, например, трактора, заранее на стальную нерастворимую обсадную муфту 3 устанавливается растворимая муфта 1 (Фиг. 1). Растворимая муфта 1 плотно садится на кольцевой выступ 6 нерастворимой обсадной муфты 3. Сверху растворимая муфта 1 плотно фиксируется гайкой 4. Таким образом, растворимая муфта 1 растворимого клапана оказывается жестко и герметично закреплена в обсадной колонне и готова к работе.
Растворимые муфты 14, 15 и 16 (Фиг. 5) устанавливаются на заданных уровнях обсадной трубы 20 таким образом, чтобы отделить друг от друга нефтеносные, газоносные или водоносные горизонты F1, F2 и F3. Далее в скважину закачивается технологическая жидкость для проведения гидроразрыва пласта, сверху в скважину забрасывается шар 17, выполненный растворимым и диаметром, соответствующего посадочному гнезду растворимой муфты 14. Шар 17 опускается на верхнюю растворимую муфту 14 и перекрывает проход жидкости. После чего производится перфорация обсадной трубы на участке над верхней растворимой муфтой 14 с помощью методов торпедной, пулевой, кумулятивной или пескоструйной перфорации. Далее проводится гидроразрыв пласта над верхней растворимой муфтой 14 путем увеличения давления на участке скважины над верхней растворимой муфтой 14. При этом растворимая муфта 14 с шаром 17 выполняют функцию клапана, не допускающего переток жидкости для гидроразрыва ниже уровня клапана.
При посадке шара 17 на посадочное гнездо растворимой муфты 14 происходит деформация и разрушения покрытия, при этом материал растворимого шара 17 соприкасается с жидкостью для гидроразрыва пласта, запускается процесс коррозии. В течение начального промежутка времени от нескольких часов до нескольких десятков часов коррозия незначительна, она не влияет на работу скважинного оборудования, в течение этого времени проводятся операции по гидроразрыву пласта. Постепенно шар 17 растворяется, уменьшаясь в диаметре, проваливается через в отверстие в растворимой муфте 14 вниз, таким образом клапан открывается. Далее растворимый шар 17 продолжает растворяться, пока не растворится окончательно. Процесс растворения остатков растворимого шара 17 не влияет на процесс гидроразрыва. Также параллельно запускается процесс коррозии материала растворимой муфты 14 за счет деформации и разрушения защитного слоя при вдавливании шара 17 в растворимую муфту 14 при увеличении давления в начале проведения операции гидроразыва. После растворения шара 17 при необходимости продолжения работ по гидроразрыву пласта в скважину сбрасывается новый растворимый шар, имеющий тот же размер, что и исходный шар 17. Загрузка новых растворимых шаров в скважину для продолжения работ по гидроразрыву пласта возможна несколько раз по мере растворения предыдущих.
После проведения гидроразрыва на последующем нижнем горизонте (между растворимыми муфтами 14 и 15) в скважину сбрасывается шар 18 меньшего диаметра, перекрывающий растворимую муфту 15, но при этом проходящий через отверстие в растворимой муфте 14.
Для работ по гидроразрыву пластов на следующих лежащих ниже горизонтах используется шар меньшего диаметра, подбираемого таким образом, чтобы он перекрывал интересующую растворимую муфту, но проходил через все отверстия в посадочных гнездах растворимых муфт, расположенных выше. Сбрасываемый шар перекрывает проход жидкости в горизонты ниже горизонта перекрытой им растворимой муфты, проводится гидроразрыв в области над сброшенным шаром. Операция повторяется необходимое количество раз до проведения всех стадий гидроразрыва. Сброшенные шары и установленные в скважину соответствующие растворимые муфты растворяются, а продукты их растворения выносятся на поверхность с отработанной жидкостью гидроразрыва.
Растворимые шары и растворимые муфты после проведения операций по гидроразрыву пласта растворяются, превращаясь в оксиды, гидроксиды или соли металлов, составляющих материал растворимых шаров и муфт. Продукты растворения представляют собой либо водорастворимые соединения (например, алюминаты), либо мелкодисперсные порошки (например, гидроксид магния) с размером частиц до 100 мкм. Продукты растворения удаляются из скважины вместе с технологическими жидкостями, например, с гелем для гидроразрыва пласта.
Таким образом, при осуществлении заявляемого изобретения не требуется операций по механическому рассверливанию и разбуриванию растворимых шаров и растворимых муфт, тогда как при использовании нерастворимых шаров и нерастворимых муфт, для которых операции по механическому рассверливанию и разбуриванию обязательны. Эти операции могут занимать до нескольких суток рабочего времени на каждый каскад шаров и муфт. Также операции по механическому рассверливанию и разбуриванию требуют использования специализированных скважинных тракторов с фрезерными головками. При использовании заявляемого растворимого клапана, содержащего растворимые шары и растворимые муфты, не требуются специализированные скважинные тракторы с фрезерными головками. В конечном счете, использование заявляемого растворимого клапана приводит к упрощению процесса гидроразрыва пласта.
Выигрыш рабочего времени при использовании заявляемого растворимого клапана составляет от 5-7 рабочих суток до 35-40 рабочих суток в расчете на 1 скважину.
Скорость растворения растворимых шаров и растворимых муфт в заявляемом растворимом клапане задается исходя из химического состава сплава, из которого изготавливаются шары и растворимые муфты и химическим составом водных растворов технологических жидкостей (например, жидкость для гидроразрыва пласта), которые непосредственно контактируют с шарами и муфтами.
Например, шар и растворимая муфта из чистого магния (Mg 99,90%) в 10% растворе NaCl имеет скорость поверхностной коррозии 0,520 кг/(м2·ч), а шар и муфта из сплава (Al 76,0%, Mg 17,0%, Cu 5,0%, Zn 2,0%) в 5% растворе NaOH имеет скорость поверхностной коррозии 0,240 кг/(м2·ч) (Таблица 4).
Заявляемая конструкция растворимого клапана и материал изготовления его частей (растворимых шаров и растворимых муфт) обеспечивает решение задачи контролируемости процесса многостадийного гидроразрыва пласта.
Таблица 1
Результаты растворения шара из алюминиевого сплава
| № | Время эксперимента, ч | Масса шара, г | Диаметр, мм | Время эксперимента, ч | Масса шара, г | Диаметр, мм |
| 1 | 0 | 184,0 | 52,0 | 220 | 119,5 | 45,0 |
| 2 | 10 | 184,0 | 52,0 | 230 | 114,5 | 44,4 |
| 3 | 20 | 183,5 | 52,0 | 240 | 108,0 | 43,5 |
| 4 | 30 | 182,0 | 51,8 | 250 | 101,0 | 42,6 |
| 5 | 40 | 180,0 | 51,6 | 260 | 95,5 | 41,8 |
| 6 | 50 | 178,3 | 51,5 | 270 | 90,0 | 41,0 |
| 7 | 60 | 176,3 | 51,3 | 280 | 84,0 | 40,0 |
| 8 | 70 | 174,3 | 51,1 | 290 | 78,5 | 39,1 |
| 9 | 80 | 172,3 | 50,9 | 300 | 72,5 | 38,1 |
| 10 | 90 | 169,5 | 50,6 | 310 | 65,0 | 36,8 |
| 11 | 100 | 167,5 | 50,4 | 320 | 57,5 | 35,3 |
| 12 | 110 | 165,0 | 50,1 | 330 | 50,5 | 33,8 |
| 13 | 120 | 162,0 | 49,8 | 340 | 40,5 | 31,4 |
| 14 | 130 | 158,0 | 49,4 | 350 | 33,5 | 29,5 |
| 15 | 140 | 156,5 | 49,3 | 360 | 28,5 | 27,9 |
| 16 | 150 | 151,0 | 48,7 | 370 | 22,0 | 25,6 |
| 17 | 160 | 146,5 | 48,2 | 380 | 15,0 | 22,5 |
| 18 | 170 | 142,5 | 47,8 | 390 | 10,5 | 20,0 |
| 19 | 180 | 139,0 | 47,4 | 400 | 6,0 | 16,6 |
| 20 | 190 | 135,5 | 47,0 | 410 | 2,5 | 12,4 |
| 21 | 200 | 130,0 | 46,3 | 420 | 0,0 | 0,0 |
| 22 | 210 | 124,5 | 45,7 |
Таблица 2
Результаты растворения шара из магниевого сплава
| № | Время эксперимента, ч | Масса шара, г | Диаметр, мм | Время эксперимента, ч | Масса шара, г | Диаметр, мм |
| 1 | 0 | 120,7 | 50,0 | 40 | 72,3 | 42,1 |
| 2 | 2 | 120,7 | 50,0 | 42 | 64,6 | 40,6 |
| 3 | 4 | 120,8 | 50,0 | 44 | 60,6 | 39,7 |
| 4 | 6 | 120,9 | 50,0 | 46 | 58,5 | 39,2 |
| 5 | 8 | 120,4 | 49,9 | 48 | 54,8 | 38,4 |
| 6 | 10 | 119,9 | 49,8 | 50 | 49,4 | 37,1 |
| 7 | 12 | 119,7 | 49,8 | 52 | 49,3 | 37,1 |
| 8 | 14 | 118,7 | 49,7 | 54 | 45,5 | 36,1 |
| 9 | 16 | 115,2 | 49,2 | 56 | 40,5 | 34,7 |
| 10 | 18 | 114,1 | 49,0 | 58 | 36,8 | 33,6 |
| 11 | 20 | 112,1 | 48,7 | 60 | 27,5 | 30,5 |
| 12 | 22 | 109,9 | 48,4 | 62 | 26,5 | 30,1 |
| 13 | 24 | 102,6 | 47,3 | 64 | 23,6 | 29,0 |
| 14 | 26 | 100,1 | 46,9 | 66 | 19,0 | 27,0 |
| 15 | 28 | 97,2 | 46,5 | 68 | 16,0 | 25,5 |
| 16 | 30 | 94,1 | 46,0 | 70 | 9,2 | 21,2 |
| 17 | 32 | 88,1 | 45,0 | 72 | 6,7 | 19,0 |
| 18 | 34 | 85,1 | 44,5 | 74 | 1,1 | 10,4 |
| 19 | 36 | 81,8 | 43,9 | 76 | 0,0 | 0,0 |
| 20 | 38 | 75,6 | 42,7 |
Таблица 3
Результаты растворения муфты из алюминиевого сплава
| № | Время эксперимента, ч | Масса муфты, г | Время эксперимента, ч | Масса муфты, г |
| 1 | 0 | 640,0 | 220 | 499,0 |
| 2 | 10 | 640,0 | 230 | 489,0 |
| 3 | 20 | 638,0 | 240 | 470,5 |
| 4 | 30 | 634,0 | 250 | 450,0 |
| 5 | 40 | 629,5 | 260 | 454,0 |
| 6 | 50 | 628,5 | 270 | 435,0 |
| 7 | 60 | 622,0 | 280 | 430,0 |
| 8 | 70 | 618,5 | 290 | 410,5 |
| 9 | 80 | 614,5 | 300 | 392,5 |
| 10 | 90 | 605,5 | 310 | 384,0 |
| 11 | 100 | 602,0 | 320 | 368,5 |
| 12 | 110 | 598,5 | 330 | 351,0 |
| 13 | 120 | 594,0 | 340 | 321,0 |
| 14 | 130 | 584,0 | 350 | 310,5 |
| 15 | 140 | 582,5 | 360 | 298,0 |
| 16 | 150 | 567,5 | 370 | 275,0 |
| 17 | 160 | 554,0 | 380 | 262,5 |
| 18 | 170 | 549,5 | 390 | 255,0 |
| 19 | 180 | 541,0 | 400 | 238,5 |
| 20 | 190 | 530,0 | 410 | 214,5 |
| 21 | 200 | 521,0 | 420 | 199,0 |
| 22 | 210 | 510,5 |
Таблица 4
Значения скорости коррозии сплавов в разных средах
| Состав сплава | Скорость коррозии, кг/(м2·ч) | ||
| Среда | 10% раствор NaCl | 2% раствор NaCl | 5% раствор NaOH |
| Mg 99,90%, остальное -примеси | 0,520 | 0,041 | 0,005 |
| Mg 99,0% Zr 0,8% Nd 0,2 % |
0,056 | 0,003 | 0,004 |
| Mg 97,0% Mn 2,0% Ce 1,0% |
0,044 | 0,003 | 0,003 |
| Al 91,0% Mg 6,0% Zn 2,0% Mn 1,0% |
0,018 | 0,009 | 0,115 |
| Al 76,0% Mg 17,0% Cu 5,0% Zn 2,0% |
0,110 | 0,015 | 0,240 |
1. Растворимый клапан для многостадийного гидроразрыва пласта, выполненный с возможностью установки в обсадную колонну или в колонный пакер в виде клапанного узла, содержащий по меньшей мере одну муфту с посадочным гнездом со сквозным отверстием, при этом посадочное гнездо выполнено с возможностью размещения по меньшей мере одного растворимого шара, отличающийся тем, что муфта с посадочным гнездом выполнена растворимой и изготовлена из металла или металлического сплава, обладающих коррозионной активностью в водных технологических скважинных растворах, растворимый шар изготовлен из металла или металлического сплава, обладающих коррозионной активностью в водных технологических скважинных растворах, упомянутая растворимая муфта жестко зафиксирована в обсадной нерастворимой муфте на кольцевом выступе с герметизирующей прокладкой, препятствующей перетоку жидкостей из области над растворимой муфтой в область под растворимой муфтой, при этом поверхность растворимой муфты, взаимодействующая с шаром, дополнительно снабжена по меньшей мере одним слоем защитного материала, обеспечивающего возможность регулирования скорости коррозии в водных технологических скважинных растворах таким образом, что скорости коррозии растворимой муфты и шара, размещенного в посадочном гнезде, равны или скорость коррозии растворимой муфты меньше скорости коррозии шара.
2. Растворимый клапан для многостадийного гидроразрыва пласта по п. 1, отличающийся тем, что герметизирующая прокладка выполнена из упругодеформируемого полимерного материала.
3. Растворимый клапан для многостадийного гидроразрыва пласта по п. 2, отличающийся тем, что полимерный материал представлен полилактидом, или поливиниловым спиртом, или силиконовым герметиком, или фторопластовым герметиком, или силикатным герметиком.
4. Растворимый клапан для многостадийного гидроразрыва пласта по п. 1, отличающийся тем, что растворимая муфта выполнена из алюминия или его сплавов.
5. Растворимый клапан для многостадийного гидроразрыва пласта по п. 1, отличающийся тем, что растворимая муфта выполнена из магния или его сплавов.
6. Растворимый клапан для многостадийного гидроразрыва пласта по п. 1, отличающийся тем, что растворимый шар выполнен из алюминия или его сплавов.
7. Растворимый клапан для многостадийного гидроразрыва пласта по п. 1, отличающийся тем, что растворимый шар выполнен из магния или его сплавов.
8. Растворимый клапан для многостадийного гидроразрыва пласта по п. 1, отличающийся тем, что поверхность растворимой муфты, взаимодействующая с шаром, дополнительно снабжена защитным покрытием, выполненным из алюминия, или из магния, или из цинка.
9. Растворимый клапан для многостадийного гидроразрыва пласта по п. 1, отличающийся тем, что поверхность растворимой муфты, взаимодействующая с шаром, дополнительно снабжена защитным покрытием, выполненным из водорастворимых полимеров, представленных полибутиратами, или полибутиленсукцинатами, или поливиниловым спиртом, или поликапролактонами.
10. Растворимый клапан для многостадийного гидроразрыва пласта по п. 1, отличающийся тем, что поверхность растворимой муфты, взаимодействующая с шаром, дополнительно снабжена неорганическим защитным покрытием, полученным фосфатированием или оксидированием.
11. Растворимый клапан для многостадийного гидроразрыва пласта по п. 1, отличающийся тем, что диаметр сквозного отверстия посадочного гнезда растворимой муфты меньше исходного диаметра шара.
12. Растворимый клапан для многостадийного гидроразрыва пласта по п. 1, отличающийся тем, что посадочное гнездо растворимой муфты выполнено в форме усеченного конуса или представляет собой поверхность сопряжения как минимум двух или более усеченных конусов, или представляет собой поверхность сопряжения усеченных конусов и сферической поверхности.
