Муфта для гидроразрыва пластов в скважине

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к устройствам, входящим в компоновку обсадных колонн и предназначенным для проведения работ по гидроразрыву нефтеносного пласта. Муфта для гидроразрыва пластов в скважине содержит корпус в виде трубы с установленными в нем портами гидроразрыва пласта, выполненными в виде равномерно расположенных по окружности радиальных ступенчатых отверстий, расточка внутренней ступени которых, обращенной к продольной оси муфты, выполнена с диаметром D₁, а расточка наружной ступени, обращенной к стенке скважины, выполнена с диаметром D₂, последовательно установленные в расточках наружных ступеней радиальных ступенчатых отверстий от внутренней стенки корпуса к его наружной стенке разрывные мембраны расчетной толщины, винтовые кольцевые стопоры и заглушки, блокирующие поступление жидкости к разрывным мембранам извне корпуса, при этом между заглушками и разрывными мембранами в портах образованы герметичные полости, заполненные воздухом под атмосферным давлением, уплотнительные элементы, герметизирующие неподвижные соединения деталей, и герметик, блокирующий контакт заглушек с жидкостью извне корпуса. Каждая заглушка неподвижна и выполнена из хрупкого металла, например чугуна, в виде ступенчатого кольцевого цилиндра с диаметром отверстия D₃. Глубинная ступень кольцевого цилиндра заглушки установлена над разрывной мембраной и взаимодействует с винтовым кольцевым стопором. Внешняя ступень с наружным диаметром D₄ имеет купол в виде кругового конуса, имеющего у основания диаметр D₅ и вершиной обращенного к стенке скважины, в котором выполнена коническая расточка, имеющая у основания диаметр D₃. Конус и расточка концентричны, их углы уклона равны. На наружной поверхности конуса выполнены равномерно расположенные на его конической поверхности кольцевые канавки и прорези, равномерно расположенные по образующим. Величины диаметров D₁, D₂, D₃, D₄ и D₅ удовлетворяют соотношению D₂>D₄>D₅>D₃>D₁. Обеспечивается повышение надежности работы и снижение эксплуатационных затрат при применении муфты. 4 ил.

 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно, к устройствам, входящим в компоновку обсадных колонн и предназначенным для проведения работ по гидроразрыву нефтеносного пласта.

Известна «Муфта гидроразрыва пласта» (ПМ №176774; МПК Е21В 34/10, Е21В 43/26, F16K 17/14, опубл. 29.01.2018, Бюл. №4), содержащая

• полый цилиндрический корпус с выполненными в нем радиальными отверстиями,

• в которых установлены заглушки с разрывными мембранами и крышки, блокирующие доступ жидкости извне корпуса к разрывным мембранам,

• полости между разрывными мембранами и крышками, заполненные жидкостью,

• при этом крышки установлены в отверстиях заглушек с возможностью радиальных перемещений.

Недостатком известной муфты гидроразрыва пласта (далее - ГРП) является низкая надежность работы, поскольку заполнение жидкостью полости между разрывными мембранами и крышками, а также возможность радиального перемещения крышек от наружной стенки к внутренней стенке корпуса может привести к тому, что при значительном возрастании давления извне корпуса в процессе цементирования оно через подвижную крышку будет передаваться на жидкость и на мембрану, что может привести к разрыву последней и неработоспособности известной муфты, поскольку цементный раствор, проникнув в ее полость, после затвердевания будет препятствовать нагнетанию жидкости в процессе операции гидроразрыва.

Известна «Муфта для гидроразрыва пластов в скважине», входящая в состав компоновки скважинного оборудования по патенту «Оборудование и методы интенсификации подземных формаций» (патент США №2012/0111566, МПК Е21В 43/11, Е21В 17/14, Е21В 34/00, Е21В 43/26, Е21В 43/28, Е21В 33/12, опубл. 10.05.2012), содержащая:

• корпус в виде трубы с установленными в нем портами ГРП, выполненными в виде радиальных окон, равномерно расположенных по окружности,

• в которых последовательно от внутренней стенки корпуса к его наружной стенке установлены разрывные мембраны расчетной толщины,

• винтовые кольцевые стопоры, фиксирующие разрывные мембраны,

• и заглушки в виде дисков, установленные в стопорах с возможностью перемещения и блокирующие доступ жидкости извне корпуса к разрывным мембранам,

• при этом между заглушками и разрывными мембранами в портах образованы герметичные полости, заполненные воздухом под атмосферным давлением,

• уплотнительные элементы, герметизирующие неподвижные соединения и взаимодействия деталей,

• и герметик, блокирующий контакт заглушек с жидкостью извне корпуса.

Недостатком известной муфты являются повышенные эксплуатационные затраты при ее применении, поскольку ее использование предполагает после разрушения разрывных мембран необходимость применения кислотной обработки для растворения и снижения прочности цементного кольца, что увеличивает расход материалов и повышает время проведения и стоимость операции ГРП. Это объясняется тем, что заглушка ввиду необходимости блокирования доступа жидкости извне корпуса к разрывным мембранам и герметизации полости порта должна иметь форму диска, обладающего некоторой площадью поверхности торца, обращенного к цементному кольцу. Поэтому энергия удара заглушки, распределенная на площади ее контакта с цементным камнем, не сможет создать в нем значительных контактных напряжений, способных деформировать и разрушить цементное кольцо в скважинной зоне у порта ГРП.

Кроме того, заглушка своей площадью будет создавать преграду на пути движения потока жидкости, оказывая значительное гидродинамическое сопротивление, что приведет к турбулентности течения и будет снижать энергию струи, необходимую для разрушения цементного кольца. Этим обусловлена необходимость кислотной обработки для дополнительного воздействия на цементный камень и снижения его прочности с целью обеспечения возможности последующего его разрушения потоком жидкости и осуществления операции гидроразрыва.

Задачей изобретения является создание технического решения муфты для гидроразрыва пластов в скважине, лишенной перечисленных недостатков.

Техническим результатом решения этой задачи является снижение эксплуатационных затрат при использовании муфты.

Для обеспечения этого результата известная муфта для гидроразрыва пластов в скважине, содержащая

• корпус в виде трубы с установленными в нем портами ГРП, выполненными в виде равномерно расположенных по окружности радиальных ступенчатых отверстий, расточка внутренней ступени которых, обращенной к продольной оси муфты, выполнена с диаметром D₁, а расточка наружной ступени, обращенной к стенке скважины, выполнена с диаметром D₂,

• последовательно установленные в расточках наружных ступеней радиальных ступенчатых отверстий от внутренней стенки корпуса к его наружной стенке разрывные мембраны расчетной толщины,

• винтовые кольцевые стопоры,

• и заглушки, блокирующие поступление жидкости к разрывным мембранам извне корпуса,

• при этом между заглушками и разрывными мембранами в портах образованы герметичные полости, заполненные воздухом под атмосферным давлением,

• уплотнительные элементы, герметизирующие неподвижные соединения деталей,

• и герметик, блокирующий контакт заглушек с жидкостью извне корпуса,

• при этом диаметры D₂ и D₁ удовлетворяют соотношению

D₂>D₁,

СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ

• каждая заглушка неподвижна и выполнена из хрупкого металла, например, чугуна,

• в виде ступенчатого кольцевого цилиндра с диаметром отверстия D₃,

• при этом глубинная ступень кольцевого цилиндра заглушки установлена над разрывной мембраной и взаимодействует с винтовым кольцевым стопором,

• а внешняя ступень с наружным диаметром D₄ имеет купол в виде кругового конуса, имеющего у основания диаметр D₅ и вершиной обращенного к стенке скважины,

• в котором выполнена коническая расточка, имеющая у основания диаметр D₃,

• при этом конус и расточка концентричны, их углы уклона равны,

• на наружной поверхности конуса выполнены равномерно расположенные на его конической поверхности кольцевые канавки и прорези, равной глубины с ними, равномерно расположенные по образующим,

• при этом величины диаметров D₂, D₃, D₄ и D₅ удовлетворяют соотношению

D₂>D₄>D₅>D₃>D₁

Изобретение поясняется чертежами, где

• на фиг. 1 изображена заявляемая муфта для гидроразрыва пластов в скважине в исходном (транспортном) положении;

• на фиг. 2 изображен выносной элемент А на фиг. 1 в увеличенном масштабе,

• на фиг. 3 изображена в аксонометрии заглушка;

• на фиг.4 изображен порт муфты после разрушения разрывных мембран и заглушек.

Заявляемая муфта для гидроразрыва пластов в скважине (фиг. 1 и 2) содержит корпус 1 в виде трубы с установленными в нем портами ГРП, выполненными в виде равномерно расположенных по окружности радиальных ступенчатых отверстий 2, расточка внутренней ступени 3 которых, обращенной к продольной оси муфты, выполнена с диаметром D₁, а расточка наружной ступени 4, обращенной к стенке скважины (не показана), выполнена с диаметром D₂. При этом диаметры D₂ и удовлетворяют соотношению:

D₂>D₁

В расточках наружных ступеней 4 радиальных ступенчатых отверстий 2 последовательно от внутренней стенки корпуса 1 к его наружной стенке установлены разрывные мембраны 5, заглушки 6, блокирующие поступление жидкости к разрывным мембранам 5 извне корпуса 1, и винтовые кольцевые стопоры 7, обеспечивающие фиксацию разрывных мембран 5 и заглушек 6 в расточках наружных ступеней 4 отверстий 2.

Каждая неподвижная заглушка 6 выполнена из хрупкого металла, например, чугуна, в виде ступенчатого кольцевого цилиндра 8 с диаметром отверстия D₃. Глубинная ступень 9 кольцевого цилиндра 8 заглушки 6 установлена над разрывной мембраной 5 в расточке наружной ступени 4 диаметром D₂ отверстия 2 а внешняя ступень 10 с наружным диаметром D₄ имеет купол 11 в виде кругового конуса, имеющего у основания диаметр D₅ и вершиной обращенного к стенке скважины. Величины диаметров D₁, D₂, D₃, D₄ и D₅ удовлетворяют соотношению:

D₂>D₄>D₅>D₃>D₁.

В куполе 11 выполнена коническая расточка 12, имеющая у основания диаметр D₃, при этом круговой конус купола 11 и расточка 12 концентричны, а их углы уклона равны.

На наружной поверхности купола 11 (на фиг. 3) выполнены равномерно расположенные на его конической поверхности кольцевые канавки 13 и равной глубины с ними прорези 14, выполненные по образующим конуса 11 и равномерно расположенные на его конической поверхности.

Отверстие ступенчатого кольцевого цилиндра 8 диаметром D₃ с конической расточкой 12 образует с разрывными мембранами 5 полость 15, заполненную воздухом под атмосферным давлением. Герметичность полости 15 обеспечивается уплотнительными элементами 16 и 17, герметизирующими неподвижные соединения корпуса 1, разрывных мембран 5 и заглушек 6.

Герметик 18, нанесенный на заглушку 6, блокирует контакт наружной поверхности купола 11 и внешней ступени 10 с жидкостью извне корпуса 1.

Заявляемая муфта для гидроразрыва пластов в скважине работает следующим образом.

Муфту в компоновке колонны обсадных труб (не показаны) спускают в скважину в требуемый интервал и производят цементирование обсадной колонны. При этом заглушки 6 будут испытывать воздействие наружного давления от столба цементного раствора, которое значительно превосходит гидростатическое давление в интервале установки муфты. Однако благодаря тому, что купол 11 заглушек 6 выполнен в виде кругового конуса, способного воспринимать значительные распределенные нагрузки от наружного давления, а также тому, что заглушки 6 выполнены из хрупкого металла, например, чугуна, предел прочности на сжатие которого значительно превышает предел прочности на растяжение, заглушки 6 будут устойчивы к воздействию сжимающих нагрузок от наружных давлений, чем обеспечивается повышение надежности заявляемой муфты.

После затвердевания цементного раствора в обсадную колонну в интервал установки муфты спускают селективный пакер (не показан), устанавливая его таким образом, чтобы заявляемая муфта находилась между уплотнителями пакера, активируют его, после чего производят нагнетание технологической жидкости с пропантом.

При расчетной величине давления нагнетаемой жидкости внутри муфты произойдет разрушение разрывных мембран 5 (фиг. 4), имеющих толщину расчетной величины.

Поскольку полость 15 заполнена воздухом под атмосферным давлением, то в момент разрушения разрывных мембран 5 произойдет эффект имплозии -взрыва, направленного внутрь полости 15, когда жидкость из полости муфты под значительным давлением с высокой скоростью устремится внутрь полости 15. В результате воздействия скоростного напора от давления жидкости произойдет разрыв внешней ступени 10 по кольцевому сечению диаметром D₅ и отделение от ступенчатого кольцевого цилиндра 8 купола 11 с одновременным разрушением его на мелкие осколки 19 с острыми краями.

Этому будет способствовать материал, из которого выполнена заглушка 6 -хрупкий металл, например, чугун, предел прочности которого на растяжение от воздействия внутреннего давления значительно ниже предела прочности на сжатие от воздействия наружного давления, что снижает величину внутриколонного давления, при котором будет происходить разрушение заглушки 6.

Кроме того, гарантированное разрушение купола 11 на мелкие осколки обеспечивается кольцевыми канавками 13 и равной глубины с ними прорезями 14, выполненными на конической поверхности купола 11.

После отделения от ступенчатого кольцевого цилиндра 8 купола 11 и его разрушения путем разрыва на мелкие осколки 19, последние с высокой скоростью, деформируя герметик 18, будут перемещаться к стенке скважины, войдя в контакт с затвердевшим цементным кольцом 20. Сочетание высокой динамики перемещения мелких осколков 19 с их острыми краями приведет к значительным контактным напряжениям в цементном кольце 20 в зоне удара, его местному хрупкому разрушению и возникновению трещин, что будет способствовать разрушению цементного кольца 20 при дальнейшем нагнетании технологической жидкости во время выхода операции на режим гидроразрыва без дополнительного применения кислотной обработки, чем обеспечивается снижение эксплуатационных затрат при использовании заявляемой муфты.

После закачки расчетного объема жидкости отключают ее подачу, дезактивируют пакер и перемещают его в другой интервал для продолжения операции гидроразрыва на следующей муфте.

Таким образом, совокупность отличительных признаков заявляемой муфты обеспечивает по сравнению с аналогом и прототипом повышение надежности работы и снижение эксплуатационных затрат при ее применении.

Муфта для гидроразрыва пластов в скважине, содержащая корпус в виде трубы с установленными в нем портами гидроразрыва пласта, выполненными в виде равномерно расположенных по окружности радиальных ступенчатых отверстий, расточка внутренней ступени которых, обращенной к продольной оси муфты, выполнена с диаметром D₁, а расточка наружной ступени, обращенной к стенке скважины, выполнена с диаметром D₂, последовательно установленные в расточках наружных ступеней радиальных ступенчатых отверстий от внутренней стенки корпуса к его наружной стенке разрывные мембраны расчетной толщины, винтовые кольцевые стопоры и заглушки, блокирующие поступление жидкости к разрывным мембранам извне корпуса, при этом между заглушками и разрывными мембранами в портах образованы герметичные полости, заполненные воздухом под атмосферным давлением, уплотнительные элементы, герметизирующие неподвижные соединения деталей, и герметик, блокирующий контакт заглушек с жидкостью извне корпуса, при этом диаметры D₂ и D₁ удовлетворяют соотношению D₂>D_l, отличающаяся тем, что каждая заглушка неподвижна и выполнена из хрупкого металла, например чугуна, в виде ступенчатого кольцевого цилиндра с диаметром отверстия D₃, при этом глубинная ступень кольцевого цилиндра заглушки установлена над разрывной мембраной и взаимодействует с винтовым кольцевым стопором, а внешняя ступень с наружным диаметром D₄ имеет купол в виде кругового конуса, имеющего у основания диаметр D₅ и вершиной обращенного к стенке скважины, в котором выполнена коническая расточка, имеющая у основания диаметр D₃, при этом конус и расточка концентричны, их углы уклона равны, на наружной поверхности конуса выполнены равномерно расположенные на его конической поверхности кольцевые канавки и прорези, равномерно расположенные по образующим, при этом величины диаметров D₁, D₂, D₃, D₄ и D₅ удовлетворяют соотношению D₂>D₄>D₅>D₃>D₁.