Скважинное устройство, скважинная система и способ обработки ствола скважины - RU2531407C2

Чертежи

Показать все 10 чертежа(ей)

Описание

Предпосылки создания изобретения

Обычной практикой при добыче углеводородов является гидроразрыв углеводородосодержащего пласта. Гидроразрыв углеводородосодержащего пласта увеличивает общую проницаемость пласта и тем самым увеличивает добычу углеводородов из зоны разрыва. Все чаще одиночный ствол скважины может пересекать несколько углеводородосодержащих пластов. В этих случаях каждая углеводородосодержащая зона может быть изолирована от любой другой, и операция гидроразрыва пласта может осуществляться последовательно в каждой зоне.

Для последовательной обработки каждой зоны в стволе скважины устанавливают узел гидроразрыва пласта. Узел гидроразрыва пласта обычно включает в себя насосно-компрессорную колонну, как правило, выходящую на поверхность, отсечной клапан ствола скважины в нижней части колонны, различные скользящие муфты, расположенные в определенных интервалах вдоль колонны, пакеры необсаженного ствола скважины, расположенные вдоль колонны для изоляции зон скважины, а также верхний пакер хвостовика.

Узел гидроразрыва пласта обычно вводят в ствол с закрытыми скользящими муфтами и открытым отсечным клапаном ствола скважины. Для открытия скользящих муфт в колонну спускают шар, наконечник или пробку другого типа. В настоящем изобретении может быть использован шар, наконечник или любое другое приемлемое средство для образования уплотнения с седлом.

Сущность изобретения

Скользящая муфта имеет подвижную вставку, которая блокирует радиальный поток текучей среды через скользящую муфту, когда скользящая муфта закрыта. К вставке прикреплено расцепляемое седло, которое по периферии опирается на внутреннюю поверхность корпуса. По достижении первого седла шар может образовывать уплотнение. При этом насосы гидроразрыва могут приложить давление текучей среды к расположенному на седле шару и соответствующему седлу для открывания скользящей муфты и блокирования ее в постоянно открытом положении. При перемещении скользящей муфты и соответствующего седла вниз седло достигает области, где оно больше не опирается на внутреннюю поверхность корпуса, что приводит к высвобождению шара седлом. Далее шар продолжает спускаться до седла в следующей скользящей муфте, и процесс повторяется до тех пор, пока все скользящие муфты, которые могут быть активированы определенным шаром, не будут переведены в постоянно открытое положение, и шар не расположиться в шаровом седле, которое не высвободит его и, таким образом, герметизирует ствол скважины.

После эффективной герметизации нижней части ствола скважины расположенным на седле сбрасываемым шаром и открывания скользящих муфт насосы гидроразрыва могут увеличить давление и разорвать углеводородосодержащий пласт, прилегающий к скользящим муфтам, создавая нескольких точек инициирования разрыва за один этап.

Поскольку современная технология обеспечивает переключение нескольких скользящих муфт одиночным шаром определенного размера, разрыв нескольких углеводородосодержащих зон может быть произведен поэтапно, когда в нижнем комплекте скользящих муфт применен сбрасываемый шар и седло малого диаметра, а в последовательных более высоких зонах последовательно использованы сбрасываемый шар и седло большего диаметра.

На насосно-компрессорной колонне в стволе скважины может быть размещена группа скользящих муфт. Каждая скользящая муфта имеет внутреннюю вставку, перемещающуюся из закрытого положения в открытое положение. Когда вставка находится в закрытом положении, она предотвращает сообщение между стволом скважины и каналом в корпусе муфты. Для открытия скользящей муфты в ствол скважины сбрасывают шар и закачивают в скользящую муфту, где он образует уплотнение с расцепляемым седлом. В отверстии пролегают клинья или плошки седла вставки, проходят в ствол скважины и зацепляют сброшенный шар, позволяя седлу обеспечивать перемещение вставки в открытом положении под приложенным давлением текучей среды. После открытия наружная поверхность корпуса сообщается с внутренним участком корпуса через отверстия в корпусе.

Когда вставка достигает своего открытого положения, клинья втягиваются из ствола скважины и позволяют шару пройти через седло на другую скользящую муфту, установленную в стволе скважины. Эта другая скользящая муфта может представлять собой групповую муфту, которая открывается с помощью того же шара и позволяет шару пройти через нее после открытия. Однако в конечном итоге шар может достигать отсечной муфты или одноразовой скользящей муфты далее вниз по насосно-компрессорной колонне, которая открывается когда шар располагается на свое седло, но не позволяет шару пройти через нее. Операторы могут использовать различные компоновки групповых и отсечных муфт для шаров разного размера с целью обработки нужных изолированных зон пласта.

После срабатывания различных скользящих муфт через ствол скважины иногда необходимо пропустить инструмент для фрезеровочных работ, чтобы убедиться в том, что внутренний диаметр колонны оптимизирован для потока текучей среды из конкретной скважины. Расфрезеровка может включать в себя удаление частей шаровых седел скользящей муфты, не являющихся расцепляемыми, и любого другого мусора, который может остаться от процесса гидроразрыва пласта.

В какой-то момент в течение срока эксплуатации также может быть предпочтительным перекрытие радиального перемещения текучей среды между внутренней частью корпуса скользящей муфты и наружной частью корпуса скользящей муфты, тем самым перекрывая участок ранее пройденного пласта. Для перекрытия участка пласта в скользящие муфты введен профиль переключения или другое срабатывающее в нужный момент исполнительное средство. С помощью гибкой насосно-компрессорной трубы, скважинного трактора или другого подходящего средства в скважину может быть введен толкатель. Толкатель вводят в ствол скважины до достижения соответствующей скользящей муфты. Затем толкатель активируют и он вступает в зацепление с преформированным профилем переключения на вставке скользящей муфты. Затем через толкатель к вставке прилагают усилие и вставка перемещается между открытым положением и закрытым положением.

В одном варианте осуществления в стволе скважины могут быть использованы, по меньшей мере, две скользящие муфты, при этом каждая скользящая муфта имеет корпус, имеющий наружную поверхность, внутреннюю поверхность и отверстие, обеспечивающее перемещение текучей среды между внутренней поверхностью и наружной поверхностью, вставку, расположенную внутри корпуса и имеющую наружную поверхность, внутреннюю поверхность, расцепляемое седло и профиль переключения на внутренней поверхности вставки, причем седло вступает в зацепление с вставкой для перемещения вставки между первым положением и вторым положением, и профиль переключения вступает в зацепление с вставкой для перемещения вставки между вторым положением и первым положением. Профиль переключения может быть зацеплен толкателем, управляемым с поверхности или дистанционно управляемым устройством, расположенным внутри ствола скважины с использованием любого типа подходящего исполнительного механизма, например гибкой насосно-компрессорной трубы или скважинного трактора. Во многих случаях вставку удерживают в одном или обоих, открытом или закрытом, положениях. Удерживающий или запирающий механизм предпочтительно представляет собой упорное кольцо.

В другом варианте осуществления несколько скользящих муфт могут быть совместно использованы в стволе скважины, при этом каждая скользящая муфта имеет центральный сквозной канал и расположена на насосно-компрессорной колонне, устанавливаемой в стволе скважины, причем каждая из нескольких скользящих муфт может приводиться в действие с помощью отдельной пробки, устанавливаемой внизу насосно-компрессорной колонны для приведения в действие всех скользящих муфт, подходящих по размеру под одну пробку, притом каждая из скользящих муфт может иметь закрытое положение и открытое положение, при этом закрытое положение предотвращает перемещение текучей среды между центральным сквозным каналом и стволом скважины, а открытое положение обеспечивает перемещение текучей среды между центральным сквозным каналом и стволом скважины, и каждая из скользящих муфт позволяет определенной пробке проходить через нее после открытия. Скользящие муфты переводятся толкателем из открытого положения в закрытое положение. Толкатель в стволе скважины может управляться с поверхности или может дистанционно управляться с использованием любого типа подходящих исполнительных устройств, например гибкой насосно-компрессорной трубы или скважинного трактора. Во многих случаях скользящие муфты удерживают с их фиксацией в открытом или в закрытом положении. Удерживающий или запирающий механизм предпочтительно представляет собой упорное кольцо.

Согласно изобретению способ обработки ствола скважины содержит установку, по меньшей мере, двух скользящих муфт в стволе на насосно-компрессорной колонне, при этом каждая из скользящих муфт имеет центральный сквозной канал и находится в закрытом положении, предотвращающем радиальное перемещение текучей среды между центральным сквозным каналом и стволом скважины, сброс шара вниз по насосно-компрессорной колонне и перевод скользящих муфт из их закрытого положения в открытое положение, обеспечивая радиальное перемещение текучей среды между центральным сквозным каналом и стволом скважины с образованием уплотнения между шаром и седлом, расположенным в скользящих муфтах, и после открытия скользящих муфт шар проходит через скользящую муфту. Скользящие муфты переводят из открытого в закрытое положение толкателем, который может быть установлен в скважине с помощью любого подходящего средства, например гибкой насосно-компрессорной трубы или скважинного трактора. Толкателем можно управлять с поверхности или дистанционно, установив его в стволе скважины.

Вышеизложенная сущность изобретения не предназначена для обобщения каждого потенциального варианта осуществления настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 показан схематический вид узла гидроразрыва пласта, установленного в стволе скважины.

На фигуре 2 показана скользящая муфта с расцепляемым седлом в закрытом положении.

На фигуре 3 показана скользящая муфта с расцепляемым седлом в открытом положении.

На фигуре 3AA показан вид в разрезе скользящей муфты по линии AA на фигуре 3.

На фигуре 3BB показан вид в разрезе скользящей муфты по линии BB на фигуре 3.

На фигуре 4а показана группа скользящих муфт с использованием, по меньшей мере, шаров двух различных размеров перед активацией.

На фигуре 4b показана группа скользящих муфт с использованием, по меньшей мере, шаров двух различных размеров во время активации.

На фигуре 5 показана скользящая муфта со съемным седлом в открытом положении, имеющая профиль переключения.

На фигуре 6А показан толкатель с радиально подвижной защелкой во втянутом положении на гибкой насосно-компрессорной трубе.

На фигуре 6B показан толкатель с радиально подвижной защелкой в выдвинутом положении на гибкой насосно-компрессорной трубе.

На фигуре 6C показан толкатель с радиально подвижной защелкой в выдвинутом положении на скважинном тракторе.

Подробное описание

Нижеследующее описание раскрывает примерные устройства, способы, технологии и последовательности команд, которые воплощают настоящее изобретение. Описанные варианты осуществления могут быть реализованы без раскрытых конкретных деталей.

На фигуре 1 показан схематический вид ствола 11 скважины с одной зоной и установленным в ней узлом 10 гидроразрыва пласта. Узел 10 гидроразрыва пласта обычно состоит из насосно-компрессорной колонны 12, проходящей до поверхности 20, пакера 14 необсаженного ствола скважины около верхнего конца скользящих муфт 16 и отсечного клапана 18 ствола скважины. На поверхности 20 насосно-компрессорная колонна 12 соединена с насосами 30 гидроразрыва пласта через буровую установку 40. Насосы 30 создают необходимое давление текучей среды для активирования скользящих муфт 16. Пакер 14 на верхнем конце скользящих муфт 16 изолирует верхний конец разрываемой зоны 22 пласта. На нижнем конце скользящей муфты 16 помещен отсечной клапан 18 ствола скважины для уплотнения нижнего конца разрываемой зоны пласта.

Узел 10 гидроразрыва пласта может быть собран и спущен в ствол 11 скважины на заданное расстояние таким образом, что отсечной клапан 18 ствола скважины окажется за концом разрываемой зоны 22 пласта. Узел 10 гидроразрыва пласта и ствол 11 скважины образуют кольцевую область 24 между ним и стволом 11 скважины. Пакер 14 расположен над зоной 22 пласта, а скользящие муфты 16 распределены в соответствующих местах вдоль зоны 22 пласта. Как правило, когда узел 10 гидроразрыва пласта спускают в ствол 11 скважины, каждая из скользящих муфт 16 закрыта, отсечной клапан 18 ствола скважины открыт, и пакер 14 не установлен. Область у нижнего конца ствола скважины 11, как правило, называют забоем 28 скважины, а область у верхнего конца ствола 11 скважины, когда ствол 11 скважины проходит в целом в горизонтальном направлении, как правило, называют устьем 26 скважины.

После надлежащего размещения узла 10 гидроразрыва пласта в стволе 11 скважины оператор закачивает вниз сбрасываемый шар, наконечник или пробку 66 другого типа для перевода в открытое положение нужных скользящих муфт 16. Достигнув первого расцепляемого седла 52 соответствующего размера, шар может образовать уплотнение.

На фигуре 2 показана скользящая муфта 16 в закрытом положении с одним из типов съемного шарового седла 52. На фигуре 3 показана скользящая муфта 16 в открытом положении и включает в себя идентичные ссылочные позиции. Как показано на фигуре 3AA, скользящая муфта 16 имеет корпус 50 с наружной поверхностью 51, внутренней поверхностью 53, проходящим через него продольным каналом 54 и с концами 56 и 58 для соединения с насосно-компрессорной колонной 12. В корпусе 50 образованы отверстия 60 для прохождения текучей среды между внутренней частью корпуса 50 и внешней частью корпуса 50. Во внутренней части корпуса 50 расположена внутренняя муфта или вставка 62, имеющая наружную поверхность 61 и внутреннюю поверхность 63 и способная перемещаться между открытым положением (см. фигуру 3) и закрытым положении (см. фигуру 2). Вставка 62 имеет пазы 64, образованные по его траектории, для размещения в них расцепляемого седла 52. Седло 52 опирается своей внешней поверхностью на внутреннюю поверхность корпуса 50.

Как условно показано на фигуре 2, оператор использует насосы 30 гидроразрыва пласта для перемещения сбрасываемого шара 66 вниз по стволу 11 скважины. Когда сбрасываемый шар 66 зацепляется и садится на седло 52, образуется уплотнение. Насосы 30 гидроразрыва пласта увеличивают давление текучей среды на сбрасываемый шар 66, что заставляет седло 52 и соответствующую вставку 62 передвигаться в направлении нижней части ствола 11 скважины. Когда вставка 62 перемещается в направлении забоя 28, отверстия 60 ствола скважины становятся закрытыми, что обеспечивает радиальный проход между внутренним участком корпуса 50 или продольным каналом 54 корпуса и наружной частью корпуса 50, обеспечивая доступ к зоне 22 пласта. При совместном передвижении седла 52 и вставки 62 седло 52 достигает, по меньшей мере, частично кольцевого паза 68, как показано на фигуре 3BB. По меньшей мере, частично кольцевой паз 68 может быть расположен во внутренней поверхности корпуса 50, где обычно выполняют расфрезеровку материала для увеличения внутренней поверхности корпуса 50. До того как сбрасываемый шар 66 активирует скользящую муфту 16, передвигая седло 52 и вставку 62, седло 52 опирается на внутреннюю поверхность корпуса 55. При достижении наружным диаметром расцепляемого седла 67 паза 68 расцепляемое седло 52, по меньшей мере, частично углубляется в кольцевой паз 68. Как правило, седло 52, по меньшей мере, частично углубляется в кольцевой паз 68, поскольку при передвижении вниз седла 52 и вставки 62 расцепляемое седло 52 больше не опирается на внутреннюю поверхность корпуса 55, однако теперь опирается на внутреннюю поверхность 53, в результате чего наружная поверхность седла 67 заходит, по меньшей мере, частично в кольцевой паз 68 и тем самым вызывает соответствующее увеличение внутреннего диаметра расцепляемого седла 65, что обеспечивает прохождение сбрасываемого шара 66 через скользящую муфту 16.

Как правило, скользящие муфты 16 сгруппированы так, что эти скользящие муфты 16, активированные сбрасываемым шаром определенного размера, расположены последовательно рядом друг с другом. Однако иногда нужно открыть скользящие муфты не в последовательном порядке. Например, когда перемежающиеся, по меньшей мере, три скользящие муфты активируют двумя сбрасываемыми шарами различных размеров. В этих случаях несколько скользящих муфт в стволе скважины могут быть активированы сбрасываемыми шарами одинакового размера, при этом данные скользящие муфты не должны быть последовательно расположены рядом друг с другом. Например, как показано на фигуре 4A, скользящие муфты 120 и 122 находятся в насосно-компрессорной колонне 124 и активируются сбрасываемым шаром 128 одного размера. На фигуре 4а скользящие муфты 120 и 122 расположены выше и ниже третьей скользящей муфты 126, которую активируют сбрасываемым шаром другого, большего размера (не показан). При этом сбрасываемый шар 128 меньшего размера может быть прокачан вниз скважины, где он опускается на первое седло 130 в скользящей муфте 120. Как показано на фигуре 4В, давление, оказываемое насосами 30 разрыва пласта (фигура 1) на сбрасываемый шар 128 и соответствующее седло 130, перемещает вставку 132 и первое седло 130 вниз, пока расцепляемое седло не достигнет кольцевого паза 134. Расцепляемое седло 130 затем перемещается в наружном направлении в кольцевой паз 134, тем самым увеличивая внутренний диаметр расцепляемого седла 130 и выпуская сбрасываемый шар 128. Расцепляемое седло 136 имеет достаточно большой внутренний диаметр, чтобы сбрасываемый шар 128 прошел через скользящую муфту 126 без активирования скользящей муфты 126. Затем сбрасываемый шар 128 опустится на второе седло 138, заставляя вставку 140 и второе седло 138 перемещаться вниз, пока расцепляемое седло не достигнет кольцевого паза 142. Затем второе седло 138 может переместиться в наружном направлении в паз 142, тем самым увеличивая внутренний диаметр седла 138 и выпуская сбрасываемый шар 128.

После активации скользящих муфт соответствующего размера сбрасываемый шар может установиться в изолирующее устройство 18 ствола скважины или активировать любое другое устройство для герметизации ствола скважины 11. При этом текучую среду отводят через отверстия 60 в скользящих муфтах 16 в кольцевое пространство 24, созданное между насосно-компрессорной колонной 12 и стволом 11 скважины.

Чтобы изолировать зону 22 пласта, пакер 14 необсаженного ствола скважины и пакер, соединенный с отсечным клапаном 18 ствола скважины, могут быть установлены выше и ниже скользящих муфт 16 для изолирования зоны 22 пласта, при этом изолирующие пакеры 17 могут быть размещены между участками зоны 22 пласта, или изолировать отдельные пласты вдоль ствола 11 скважины от остальной части ствола 11 скважины.

Теперь насосы 30 гидроразрыва пласта имеют возможность подавать текучую среду гидроразрыва пласта под должным давлением для разрыва только того участка зоны 22 пласта, который был изолирован. После разрыва пласта 22 можно начинать добычу любых углеводородов.

За время эксплуатации ствола 11 скважины давление в некоторых областях может уменьшиться или ствол 11 скважины может начать выдавать больше воды в некоторых областях, например устья 26, из ствола скважины по сравнению с другими областями ствола скважины. Такие проблемы носят более выраженный характер в горизонтальных скважинах, где порой устье 26 (фигура 1) скважины будет выпускать воду и мешать вытеканию углеводородов из забоя 28 (фиг. 1) к поверхности 20. В таких случаях для поддержания добычи в зоне 22 пласта было бы предпочтительно иметь возможность перекрыть или уменьшить поток из устья 26 скважины или при необходимости из любой другой части ствола скважины.

На фигуре 5 показана скользящая муфта 70 с одним из типов расцепляемого шарового седла 72 в открытом положении, обеспечивающем прохождение текучей среды через отверстия 90 между внутренней частью корпуса и наружной частью корпуса. Скользящая муфта 70 имеет корпус 74, образующий проходящее через него продольный канал 76 и имеющий концы 78 и 80 для соединения с насосно-компрессорной колонной. В корпусе расположена внутренняя муфта или вставка 82, которая может перемещаться между открытым положением и закрытым положением. Вставка 82 имеет пазы 84, образованные по ее периферии, для размещения в них расцепляемого седла 86. Вставка 82 имеет профиль 88, образованный на внутренней поверхности 91 вставки. Профиль 88, как правило, образован путем выполняемой по окружности расфрезеровки участка материала, по меньшей мере, вокруг одного конца внутренней поверхности 91 вставки. Расцепляемое седло 86 опирается на наружную поверхность расцепляемого седла 67 по внутренней поверхности корпуса 74. В окружном пазу 92 по наружному диаметру вставки 82 размещено упорное кольцо 93. Упорное кольцо 93 зафиксировано в кольцевом пазу 92 на внутренней поверхности корпуса 74 для удержания вставки 82 в открытом положении. При перемещении вставки 82 между ее открытым положением и закрытым положением упорное кольцо отводится в кольцевой паз 92 до достижения кольцевого паза 94 на внутренней поверхности корпуса, при этом оно пролегает по кольцевому пазу 94 и тем самым удерживает вставку 82 в закрытом положении.

На фигуре 6А показан толкатель 100, имеющий радиально подвижную защелку 102A для замкового зацепления с профилем 88. Толкатель 100 может быть установлен в узле 10 гидроразрыва пласта на гибкой насосно-компрессорной трубе 106, скважинном тракторе или любом другом устройстве, которое может нести на себе толкатель 100 в узле 10 гидроразрыва пласта. Обычно толкатель может быть установлен в стволе 11 скважины с подвижной защелкой в радиально отведенном положении 102A, что уменьшает наружный диаметр толкателя 100 и позволяет толкателю 100 очищать любые области уменьшенного диаметра внутри узла 10 гидроразрыва пласта.

На фигуре 6B изображен толкатель 100 с радиально подвижной защелкой 102B в выдвинутом положении. После размещения толкателя 100 в профиле 88 подвижная защелка перемещается из своего радиально отведенного положения 102A в радиально выдвинутое положение 102B и зацепляется с профилем 88 во вставке 82 (фигура 5). При этом прикладывают усилие натяжения для перемещения толкателя 100 и, соответственно, вставки 82 из открытого положения в закрытое положение для блокировки потока текучей среды между наружной частью корпуса 74 через отверстия 90 и внутренней частью корпуса. Обычно усилие натяжения прилагают от буровой установки 40 (фигура 1) на поверхности, однако, как показано на фигуре 6C, может быть использовано любое устройство, например электрическое (электрическая линия 110) или скважинный трактор 108 с гидравлическим приводом, который может обеспечить достаточное усилие толкателя 100 для перемещения вставки 82.

После перемещения вставки 82 в закрытое положение усилие натяжения с поверхности уменьшается. Подвижная защелка 102 на толкателе 100 перемещается из своего выдвинутого положения в отведенное положение и, таким образом, расцепляется с профилем 88. При этом толкатель может быть перемещен в свое следующее положение для перемещения вставки на другой инструмент или же толкатель может быть извлечен из скважины.

Варианты осуществления описаны со ссылкой на различные применения, но эти варианты являются иллюстративными, и объем объекта изобретения ими не ограничен. Возможны многие изменения, модификации, дополнения и улучшения. Например, описанный здесь способ перемещения вставки между открытым положением и закрытым положением представляет собой всего лишь одно средство приложения усилия к скользящей муфте, и могут быть использованы любые средства приложения усилия к скользящей муфте для перемещения между открытым и закрытым положением.

Множественные вариации могут быть предусмотрены в отношении компонентов, операций или конструкций, описанных здесь в одном варианте. В целом, конструкции и функции, представленные в виде отдельных компонентов в примерной конфигурации, могут быть реализованы в качестве комбинированной конструкции или компонента. Аналогичным образом конструкции и функции, представленные в виде одинарного компонента, могут быть реализованы в виде отдельных компонентов. Эти и другие вариации, изменения, дополнения и усовершенствования могут быть выполнены в пределах объема объекта изобретения.

Реферат

Группа изобретений относится к горному делу и может быть применена для гидравлического разрыва углеводородсодержащего пласта. Скважинная система содержит множество скользящих муфт, имеющих центральный сквозной канал. При этом каждая из скользящих муфт способна приводиться в действие одиночным шаром. Каждая скользящая муфта имеет подвижную вставку, которая в зависимости от положения вставки в задвижке может блокировать или обеспечить радиальный поток текучей среды между внутренней и наружной частями муфты. Вставка имеет профиль на внутренней поверхности подвижной вставки, обеспечивающий соединение толкателя с вставкой и перемещение вставки, которое предотвращает прохождение текучей среды во внутреннюю часть скользящей муфты. Технический результат заключается в повышении эффективности гидравлического разрыва нескольких пластов через одну скважину. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 11 ил.

Формула