способ гидравлического разрыва пласта обсаженной скважины и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ гидравлического разрыва пласта обсаженной скважины, включающий спуск в скважину на колонне труб гидроперфоратора с гидромониторными насадками, перфорацию обсадной колоны скважины и ее цементного камня, формирование перфорационных каналов в горной породе пласта путем подачи рабочей жидкости через гидромониторные насадки и гидравлический разрыв пласта путем закачки в перфорационные каналы жидкости гидроразрыва, отличающийся тем, что вначале в стендовых условиях для намечаемой к использованию рабочей жидкости определяют величину давления, достаточную и необходимую для обеспечения минимально допустимой скорости углубления перфорационного канала в горной породе пласта при гидравлической перфорации, определяют прочность на одноосное сжатие породы, устанавливают глубину перфорационного канала в породе пласта и время его формирования, после чего высоконапорными струями рабочей жидкости из гидромониторных насадок производят прорезание первых отверстий в обсадной колонне с частичным вскрытием цементного камня, затем вблизи первых отверстий производят прорезание последующих отверстий в обсадной колонне и углубление через них перфорационных каналов в цементном камне и горной породе пласта до установленной глубины, а формирование перфорационных каналов в горной породе пласта производят путем образования глубоких щелей за счет подачи рабочей жидкости при прорезании последующих за первыми отверстий до свободного выхода отраженного потока рабочей жидкости в ствол скважины через первые или предшествующие отверстия, при этом выходные срезы гидромониторных насадок от внутренней поверхности обсадной колонны в скважине при перфорации поддерживают на расстоянии 3-4 диаметров выходного канала гидромониторной насадки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прорезание последующих отверстий в обсадной колонне скважины и углубление через них перфорационных каналов в цементном камне и горной породе пласта производят со смещением выше или ниже первых отверстий или со смещением от них в горизонтальной плоскости.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что смещение места прорезания последующих отверстий в обсадной колонне для углубления через них перфорационных каналов производят по отношению к первым отверстиям на расстоянии 5-10 диаметров выходного канала гидромониторной насадки.

4. Устройство для гидравлического разрыва пласта обсаженной скважины, включающее колонну труб с установленным на ее нижнем конце гидроперфоратором, корпус которого в нижней части заглушен, а в боковых его стенках установлены гидромониторные насадки со сквозными каналами, отличающееся тем, что сквозной канал каждой гидромониторной насадки по длине выполнен из трех смыкающихся между собой входной, средней и выходной частей, из которых выходная часть сквозного канала выполнена цилиндрической формы длиной, равной его диаметру, средняя часть канала - в виде конуса с углом его раскрытия 5 - 10^o и длиной 2 - 2,5 диаметра цилиндрического канала его выходной части, а входная часть канала - в виде конуса, угол раскрытия которого превышает конусность канала средней части не менее чем в 1,5 раза.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно - к способам гидравлического разрыва пласта обсаженных скважин и предназначается для повышения производительности добывающих и приемистости нагнетательных скважин.

По патенту РФ 2007552, М. Кл. ⁵ Е 21 В 43/26 от 06.12.91 известно изобретение под названием "Способ гидроразрыва пласта и устройство для его осуществления", которое принимаем за аналог.

Способ гидроразрыва пласта по аналогу включает в себя спуск в скважину колонны труб с перфоратором, имеющим перфорационные отверстия, проведение щелевой перфорации, промывку скважины с последующим подъемом колонны труб с перфоратором, спуском ее с пакером и закачкой под давлением жидкостей разрыва и песконосителя. При этом щелевую перфорацию скважины проводят в азимутально ориентированном направлении.

Устройство для осуществления способа по аналогу включает в себя колонну труб и установленный на ней перфоратор с перфорационными отверстиями. Устройство снабжено якорным узлом, а колонна труб выполнена с меткой, расположенной в одной плоскости с перфорационными отверстиями перфоратора.

Недостатком известных по аналогу способа и устройства является то, что они не в полной мере обеспечивают повышение эффективности гидроразрыва пласта. Вместе с тем, способ по аналогу для своей реализации требует использования дорогостоящего оборудования высокого давления, что повышает себестоимость работ.

Наиболее близким (прототипом) к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков из числа известных аналогов является техническое решение, изложенное в реферате заявки на изобретение "Способ создания трещины гидроразрыва в заданном интервале пласта и устройство для его осуществления" по М. Кл. ⁶ Е 21 В 43/26, 43/114; заявка на изобретение 97108745/03, дата подачи - 02.06.1997.

При реализации известного по прототипу способа гидравлического разрыва пласта обсаженной скважины производят спуск в скважину на колонне труб гидроперфоратора с гидромониторными насадками, перфорацию обсадной колонны скважины и ее цементного камня, формирование перфорационных каналов в горной породе пласта путем подачи рабочей жидкости через гидромониторные насадки и гидравлический разрыв пласта путем закачки в перфорационные каналы жидкости гидроразрыва. Корпус гидроперфоратора в нижней его части для проведения перфорации заглушают путем спуска клапанного шара. После прорезания перфорационных каналов клапанный шар извлекают, спускают в скважину пакер, производят его посадку над пластом и затем производят гидроразрыв пласта. При этом спуск в скважину перфоратора и пакера осуществляют одновременно.

Устройство для осуществления способа по прототипу включает в себя колонну труб с установленным на ее нижнем конце гидроперфоратором, корпус которого в нижней части заглушен, а в боковых его стенках установлены гидромониторные насадки со сквозными каналами. В полости корпуса размещена втулка со сквозным осевым каналом и седлом под клапанный шар. При этом втулка выполнена с хвостовиком, выступающим за пределы корпуса и соединенным с пакером.

Недостатком известных по прототипу способа и устройства является то, что они, как и техническое решение по аналогу, далеко не в полной мере используют резервы повышения эффективности способа гидравлического разрыва пласта обсаженной скважины. При этом снижение себестоимости таких работ и увеличение срока службы используемого оборудования по прототипу достигается незначительное.

Основной целью изобретения является достижение нового технического результата, а именно - повышение эффективности способа гидравлического разрыва пласта обсаженной скважины с одновременным снижением себестоимости работ гидравлического разрыва пласта и увеличением срока службы используемого оборудования за счет создания условий проведения разрыва пласта при низких рабочих давлениях.

Указанная цель изобретения достигается тем, что в известный способ гидравлического разрыва пласта обсаженной скважины, включающий спуск в скважину на колонне труб гидроперфоратора с гидромониторными насадками, перфорацию обсадной колонны скважины и ее цементного камня, формирование перфорационных каналов в горной породе пласта путем подачи рабочей жидкости через гидромониторные насадки и гидравлический разрыв пласта путем закачки в перфорационные каналы жидкости гидроразрыва, согласно заявляемому изобретению нами предложено ввести новую совокупность существенных признаков (действий, порядок их выполнения во времени и условий выполнения), а именно: вначале в стендовых условиях для намечаемой к использованию рабочей жидкости определяют величину давления, достаточную и необходимую для обеспечения минимально допустимой скорости углубления перфорационного канала в горной породе пласта при гидравлической перфорации, определяют прочность на одноосное сжатие породы, устанавливают глубину перфорационного канала в породе пласта и время его формирования, после чего высоконапорными струями рабочей жидкости из гидромониторных насадок производят прорезание первых отверстий в обсадной колонне с частичным вскрытием цементного камня, затем вблизи первых отверстий производят прорезание последующих отверстий в обсадной колонне и углубление через них перфорационных каналов в цементном камне и горной породе пласта до установленной глубины, а формирование перфорационных каналов в горной породе пласта производят путем образования глубоких щелей за счет подачи рабочей жидкости при прорезании последующих за первыми отверстий до свободного выхода отраженного потока рабочей жидкости в ствол скважины через первые или предшествующие отверстия, при этом выходные срезы гидромониторных насадок от внутренней поверхности обсадной колонны в скважине при перфорации поддерживают на расстоянии 3-4 диаметров выходного канала гидромониторной насадки. При этом прорезание последующих отверстий в обсадной колонне скважины и углубление через них перфорационных каналов в цементном камне и горной породе пласта производят со смещением выше или ниже первых отверстий, или со смещением от них в горизонтальной плоскости, а смещение места прорезания последующих отверстий в обсадной колонне для углубления через них перфорационных каналов производят по отношению к первым отверстиям на расстоянии 5-10 диаметров выходного канала гидромониторной насадки.

Указанные выше новые существенные признаки заявляемого способа гидравлического разрыва пласта обсаженной скважины являются отличительными признаками от известного по прототипу способа.

Указанная цель изобретения достигается также и тем, что в известное устройство для гидравлического разрыва пласта обсаженной скважины, включающее колонну труб с установленным на ее нижнем конце гидроперфоратором, корпус которого в нижней части заглушен, а в боковых его стенках установлены гидромониторные насадки со сквозными каналами, согласно заявляемому изобретению нами введены новые существенные конструктивные признаки, а именно - сквозной канал каждой гидромониторной насадки по длине выполнен из трех смыкающихся между собой частей: входной, средней и выходной, из которых выходная часть сквозного канала выполнена цилиндрической формы длиной, равной его диаметру; средняя часть канала выполнена в виде конуса с углом его раскрытия 5 - 10^o и длиной, равной 2 - 2,5 диаметра цилиндрического канала его выходной части, а входная часть канала выполнена в виде конуса, угол раскрытия которого превышает конусность канала средней части не менее чем в 1,5 раза.

Указанные выше новые существенные конструктивные признаки заявляемого устройства для осуществления способа гидравлического разрыва пласта обсаженной скважины являются отличительными признаками от известного по прототипу устройства.

В настоящее время из общедоступных источников научно-технической и патентной информации нам не известны способы гидравлического разрыва пласта обсаженной скважины и устройства для их осуществления, которые вместе с известными существенными признаками содержали бы в себе предложенную нами новую совокупность существенных признаков в заявляемом способе и новые существенные конструктивные признаки в заявляемом устройстве для реализации указанного способа, которые указанны выше.

В совокупности известные и новые отличительные существенные признаки способа и устройства для его осуществления обеспечивают заявляемому изобретению достижение нового технического результата при его реализации.

Так, предложенная в заявляемом способе совокупность операций: определение в стендовых условиях величины давления, достаточной и необходимой для обеспечения минимально допустимой скорости углубления перфорационного канала в породе пласта для намечаемой к использованию рабочей жидкости, определение прочности на одноосное сжатие породы, определение достигаемой при этом глубины перфорационного канала в породе пласта и времени его формирования, достигаемых в зависимости от величины давления рабочей жидкости, позволяют заранее составить достоверный прогноз влияния основных факторов гидромониторного разрушения применительно к условиям этого процесса, что позволяет выбрать тип рабочей жидкости, использовать при проведении перфорационных работ самые низкие давления рабочей жидкости, точно знать время формирования перфорационных каналов на заданную глубину.

Предложенная в заявляемом способе операция прорезания первых отверстий в обсадной колонне с частичным вскрытием цементного камня высоконапорными струями при формировании первых отверстий в обсадной колонне обеспечивает целостность заколонного цементного камня на большой площади, т. к. за малое время воздействия высоконапорных струй для прорезания первых отверстий, как показали опыты, разрушение заколонного цементного камня на большой площади не успевает произойти.

Предложенная в заявляемом способе операция - прорезать в обсадной колонне последующие (вслед за первыми) отверстия вблизи первых отверстий, вместе с операцией - углублять через них перфорационные каналы в цементном камне и горной породе пласта до установленной глубины, обеспечивают при последующей подаче рабочей жидкости формирование перфорационных каналов в горной породе пласта в виде глубоких щелей без создания высоких давлений закачки рабочей жидкости. Это стало возможным (как показали опыты) благодаря тому, что отраженный поток рабочей жидкости под давлением закачки прорывается в расположенные близко первоначально (или предшествующие) прорезанные перфорационные отверстия и каналы в цементном камне и обсадной колонне и получает беспрепятственный выход через них в ствол скважины, исключая вероятность подъема давления в заколонном пространстве. Это сокращает время гидроразрыва пласта, а исключение необходимости использовать дорогостоящее оборудование высокого давления для создания глубоких щелей в породе пласта и сохранение заколонного цементного камня на большой площади способствуют снижению себестоимости работ гидравлического разрыва пласта и увеличивают срок службы используемого оборудования.

Благодаря предложенному в заявляемом изобретении соотношению элементов сквозных каналов гидромониторных насадок гидроперфоратора, спускаемого в скважину на колонне труб для гидравлического разрыва пласта обсаженной скважины, и благодаря тому, что выходные срезы гидромониторных насадок от внутренней поверхности обсадной колонны в скважине предложено поддерживать при перфорации на расстоянии 3-4 диаметров выходного канала гидромониторной насадки, обеспечиваются те гидродинамические характеристики, которые необходимы для достижения в совокупности всех характеристик поставленной цели предлагаемого изобретения.

На чертежах представлено устройство для реализации способа гидравлического разрыва пласта обсаженной скважины, где на фиг. 1 дан продольный разрез гидроперфоратора, а на фиг. 2 изображена гидромониторная насадка гидроперфоратора в разрезе по ее продольной оси - узел А на фиг. 1.

Устройство содержит колонну труб 1, на нижнем конце которой установлен гидроперфоратор 2. В боковых стенках полого корпуса гидроперфоратора 2 установлены гидромониторные насадки 3 со сквозными каналами 4. Корпус гидроперфоратора 2 в нижней части заглушен, например, с помощью клапанного шара 5. На нижнем конце корпуса гидроперфоратора соосно установлена полая втулка 6 с косым срезом 7 на ее конце для проведения вспомогательных операций при подготовке гидравлического разрыва пласта обсаженной скважины. Сквозной канал 4 каждой гидромониторной насадки по его длине выполнен из трех смыкающихся между собой частей: входной - а, средней - б и выходной - в. При этом выходная часть в сквозного канала выполнена цилиндрической формы с длиной, равной его диаметру d. Средняя часть б канала выполнена в виде конуса с углом его раскрытия 5 - 10^o и длиной 2 - 2,5 диаметра d цилиндрического канала в его выходной части. Входная часть а канала выполнена в виде конуса, угол раскрытия которого превышает конусность канала средней части б не менее чем в 1,5 раза.

Осуществляют заявляемый способ следующим образом.

Вначале в стендовых условиях для намечаемой к использованию рабочей жидкости определяют величину давления, которая была бы достаточной и необходимой для обеспечения минимально допустимой скорости углубления перфорационного канала в горной породе пласта, подлежащей гидравлической перфорации. При этом, применительно к условиям гидроразрыва, принимают скорость углубления, равную диаметру d выходной части в сквозного канала 4 насадки за 5 минут воздействия высоконапорной струи. Из сопоставления этого давления с прочностью на одноосное сжатие породы находят коэффициент гидромониторного разрушения для данной жидкости. Из равенства, устанавливающего темп уменьшения давления струи на преграду, по мере удаления выходного среза 8 насадки 3 от преграды определяют глубину перфорационного канала в породе пласта в зависимости от давления струи на выходе из насадки _o. Находят осевое давление Р_oc затопленной струи на удаленную преграду. Находят длину начального участка струи, в пределах которой Р_ос = Р_о. Контролируют расстояние от выходного среза насадки до преграды, определяют коэффициент, характеризующий темп расширения струи. Для определения глубины перфорационного канала и времени его формирования используют: коэффициент расхода насадки, угол отражения струи от преграды, перепад давления в насадке, прочность на одноосное сжатие породы и коэффициент гидромониторного разрушения.

Гидроперфоратор с насадками, размеры которых определены с учетом вышеуказанных параметров в стендовых условиях, устанавливают на нижнем конце колонны труб и спускают в заданный интервал скважины. В скважине гидроперфоратор устанавливают так (см. фиг. 2), чтобы между выходными срезами 8 насадок и внутренней поверхностью обсадной колонны 9 был обеспечен зазор L от 3 до 4 диаметров d выходного канала в насадки. С поверхности сбрасывают клапанный шар 5 и в колонну труб 1 подают рабочую жидкость под давлением, чем производят прорезание первых отверстий в обсадной колонне с частичным вскрытием цементного камня. Количество первых отверстий при этом соответствует числу насадок, установленных по периметру боковых стенок корпуса гидроперфоратора. После этого давление в колонне труб сбрасывают, колонну труб с гидроперфоратором смещают от первых отверстий выше или ниже, или в горизонтальной плоскости на расстояние от 5 до 10 диаметров d выходного канала в насадки. Создают давление рабочей жидкости в колонне труб 1 и производят прорезание последующих отверстий в обсадной колонне (вблизи первых отверстий) и осуществляют через них углубление перфорационных каналов в цементном камне и горной породе пласта до установленной глубины. Если намечено в интервале таких последующих отверстий и образованных в пласте каналов иметь каналы в пласте в виде глубоких щелей, то после прорезания последующих отверстий в обсадной колонне и углубления каналов в пласте до установленной глубины продолжают поддерживать в колонне труб давление рабочей жидкости, в результате чего отраженный поток рабочей жидкости под давлением закачки прорывается в расположенные поблизости первоначально углубленные каналы в пласте и цементном камне и через первоначально прорезанные отверстия в обсадной колонне получает беспрепятственный выход в ствол скважины, оставляя в пласте глубокие щели. При этом отпадает необходимость создавать давление рабочей жидкости повышенной величины.

Количество операций по прорезанию последующих, вслед за первыми, отверстий в обсадной колонне и углубление через них каналов в цементном камне и пласте, а также образование глубоких щелей в породе пласта через последующие отверстия и каналы может быть многократным и зависит от геологического строения пластов и их характеристик.