Гидроразрыв пласта. Анализ применяемых конструкций якорящих узлов, используемых при проведении ГРП

Проблема обеспечения надежности перекрытия межтрубного пространства пакером является актуальной в настоящее время, особенно в условиях проведения гидроразрыва пласта (ГРП) с применением высокого давления рабочей жидкости.

Анализ применяемых конструкций якорящих узлов

Анализ применяемых конструкций якорящих узлов пакеров показал, что основным видом фиксации является конструкция в виде плашек, разжимаемых в радиальном направлении при введении во взаимодействие с ними разжимных конусов [1, 2, 3, 4].

Плашки на наружной стороне, обращенной к стенке труб обсадной колонны, имеют насечку, с помощью которой они сцепляются с металлом. Проблема взаимодействия плашек якорящего узла с трубой является актуальной и требует дополнительных исследований с учетом фактора износа обсадных труб и возможности их разрушения.

Анализ приведенной формулы [5] по определению силы q взаимодействия плашек труболовки с трубой показывает, что высота плашек оказывает существенное влияние на их несущую способность.

В формуле (1) максимальная несущая способность плашек труболовки зависит от живого сечения трубы, ее радиуса, высоты плашек и угла их взаимодействия:

где:

σТ – предел текучести материала труб;

Fс– площадь поперечного сечения изношенной трубы;

Q – радиус трубы внутренний;

h – высота плашек;

ε – коэффициент охвата периметра трубы;

R2– радиус трубы наружный;

С – коэффициент, характеризующий концентрацию напряжений в опасном сечении;

K – коэффициент охвата плашками поверхности трубы и угла наклона конической поверхности плашек к корпусу устройства;

σКР2– определяется для взаимодействия плашек труболовки (в количестве 6-ти штук) и осуществления подвески потайной колонны.

Аналогичная задача решается для обеспечения фиксации пакера плашками при восприятии избыточного давления снизу, например в случае проведения гидроразрыва пласта.

Анализируя формулу (1) можно сделать вывод, что при увеличении высоты плашек растет удерживающая способность пакера.

Если представить, что высота плашек стремится к нулю, то, согласно этой формуле, G – усилие, воспринимаемое пакером и сообщаемое на плашки, которое стремится к бесконечности. При этом необходимо также учитывать формулу Берлоу:

где:

p – давление жидкости;

D – внутренний диаметр обсадной колонны;

δ – толщина стенки обсадной трубы.

По данной формуле, при известном усилии, воспринимаемым пакером и сообщаемым на плашки, можно определить допустимые контактные напряжения на границе «уплотнитель» – стенка трубы обсадной колонны.

Из практики установки пакера в обсадную колонну известно, что контактные напряжения на границе должны превосходить рабочее давление на 10-15%. Из формулы (2) можно определить предельное значение давления Р:

Анализ полученного результата показывает, что контактные напряжения на границе «уплотнитель – стенка трубы обсадной колонны» близки к предельным значениям, особенно это необходимо учитывать для перекрытия межтрубного пространства в старом фонде скважин с изношенной обсадной колонной.

Применение традиционного способа деформации уплотнителя в радиальном направлении за счет осевого нагружения требует приложения достаточно большого усилия. В этом случае необходимо изменить механизм посадки уплотнителя по принципу, отраженному в работе [6], где отмечается, что равномерное распределение напряжений по всей длине уплотнительного элемента можно получить, если использовать для его радиальной деформации разжимной конус.

Практика применения такого метода посадки пакера показывает, что использование разжимного конуса значительно уменьшает необходимую осевую нагрузку для деформации уплотнителя, что особенно важно для скважин старого фонда.

Контактные напряжения на границе уплотнителя с обсадной колонной определяются диаметром разжимного конуса для его деформации в данном поперечном сечении.

В работе [1] представлено несколько конструкций пакеров, оснащаемых дополнительно якорем поршенькового типа гидравлического действия в дополнение к плашкам якорящего узла (с разжимом за счет применения разжимного конуса). В работе [1] отдельно представлен якорь поршенькового типа – ЯГ1, где предусмотрена защита от попадания механических примесей в зазор сопрягаемых подвижных деталей плашки-корпус.

РИС. 1. Якорь поршенькового типа – ЯГ1

1 – пробка транспортировочная; 2 – головка; 3 – корпус; 4 – трубка резиновая; 5 – плашка; 6 – винт; 7 – шпонка; 8 – патрубок; 9 – хвостовик; 10 – гайка транспортировочная

В связи с тем, что при гидравлическом разрыве пласта рабочая жидкость находится под большим давлением, воспринимаемым снизу пакером (с залипанием выталкивающего усилия на плашки якоря), может наблюдаться потеря герметичности уплотнителя и сход пакера с места установки. Это приводит к прекращению процесса фиксации. Сохранение герметичности межтрубного пространства напрямую зависит от надежности работы якорящего узла. В работе [7] представлена новая конструкция якорящего узла для установки пакера. Фиксация происходит за счет оснащения разрывных плашек разрезными пружинными кольцами, которые внедряются в тело обсадной колонны на расчетную глубину. Для оценки возможности применения такого метода установки пакера рассмотрим конструкцию [7], представленную на рисунке 2.

Гидромеханический пакер состоит из ствола 1, жестко связанного верхним концом с переводником 2. На внешнем стволе 1 установлен корпус гидроцилиндра 3 с образованием между ними кольцевой камеры 4, в которой размещен поршень 5 с разжимным конусом 6. Корпус гидроцилиндра 3 жестко связан с металлической уплотнительной оболочкой 7. На нижнем конце ствола 1 установлена разрезная оболочка 8, входящая своим верхним концом внутрь металлической уплотнительной оболочки 7. В корпусе размещено уплотнительное кольцо 11 из упругого материала и закреплено резьбовой гайкой 12.

В канале 13 ствола 1 установлена ступенчатая пружинная втулка 14 с седлом 15 и шаровым клапаном 16. В осевом канале 17 ступенчатой подпружиненной втулки 14 установлен обратный клапан 18. В теле ствола 1 выполнены радиальные отверстия 19, изолированные телом ступенчатой подпружиненной втулки 14 и уплотнительным кольцом 20 от осевого канала 13 ствола 1.

РИС. 2. Гидромеханический пакер

Ступенчатая подпружиненная втулка 14 связана со стволом 1 срезным элементом 21. Кольцевая камера 4 над поршнем 6 постоянно гидравлически связана с осевым каналом 13 ствола 1 радиальными каналами 22.

Посадка устройства, спущенного на заданную глубину, осуществляется путем установки шарового клапана 18 на седло 15 и создают избыточное давление в лифтовой колонне труб, которое через радиальные отверстия 22 подается в кольцевую камеру 4 корпуса 3 гидроцилиндра и воздействует на поршень 5 с разжимным конусом 6 с их перемещением внутрь разрезной цанги 8. Цанга раздвигается в радиальном направлении с обеспечением деформации металлической уплотнительной оболочки 7 с кольцом 11 до плотного контакта с внутренней поверхностью обсадной колонны.

При дальнейшем перемещении вниз поршня 5 происходит сжатие уплотнительного кольца 11 и ввод зубцов якоря 10 во взаимодействии со стенкой обсадной колонны. Этим самым достигается перекрытие кольцевого зазора между лифтовой колонной труб и обсадной колонной.

После этого подготавливают подпакерную зону для проведения изоляционных работ.

В этой конструкции важно изучить узел якорения. Для оценки возможности осуществления такой технологии якорения дадим технологический расчет.

Технологический расчет фиксации пакера:

• диаметр внутренней обсадной колонны, мм 148;

• диаметр наружный пакера, мм 136;

• диаметр осевого канала ствола, мм 55;

• наружный диаметр ствола, мм 70;

• внутренний диаметр корпуса, мм 120;

• давление посадки пакера, МПа 25.

Определяем площадь поршня:

Усилие, развиваемое поршнем, рассчитывается по формуле:

При угле конуса = 12:

Принимаем суммарную поперечную длину зубьев равной ½ периметра, т.е. периметр пространства равен:

Тогда принимаем длину зубьев, равной 21 см.

Определим усилие внедрения зубьев в стенку обсадной колонны при условии их полного взаимодействия.

Принимаем глубину внедрения зубьев δ=0,3мм. Угол наклона фаски зуба принимаем β=450. При решении метода треугольника, где δ=0,3мм является катетом, площадь контакта определяется по формуле:

Определим площадь пакера, воспринимающего давление разрыва снизу:

С учетом веса труб лифтовой колонны Qтр = 20000 кг получим:

Проверим выполнение условия:

Вывод: пакер в состоянии выдержать и больший перепад давления, поскольку [σт] = 6000 кг/см2.

Передача выталкивающей силы на зубья приводит к тому, что они работают на срез. Считаем, что площадь поперечного сечения зуба равна:

S=2htanα; (11)

где:

α=45°; h = 0,3 мм;

S = 0,6 мм.

Суммарная длина зубьев – Lсум = 150 мм.

Площадь сечения зубьев, воспринимающихQвыт:

Sп=S∙Lсум-0,06∙15=1 см2.

При воздействии выталкивающей силы ( = 36 000 кг) пакер снимается с места установки. Необходимо обеспечить дополнительное количество зубьев с увеличением глубины их внедрения. Для якорей плашечного типа необходимо иметь внедрение зубьев на заданную глубину с обеспечением наружного контакта всей площадью плашек. Такое конструктивное оформление реализовано в [8], где плашки якоря имеют два выступа, распределенных по высоте, что увеличивает силу сцепления якоря с обсадной колонной.

Выводы

Анализ применяемых конструкций якорящих узлов пакеров показал, что основным видом фиРксации является конструкция в виде плашек, разжимаемых в радиальном направлении при введении во взаимодействие с ними разжимных конусов.

Литература

1. Справочное пособие по газлифтному способу эксплуатации скважин / Ю.В. Зайцев, Р.А. Максутов, О.В. Чурбанов и др. / М.: «Недра», 1984. – С. 76-85.

2. Гвоздев Б.П. Эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений: Справочное пособие / Б.П. Гвоздев, А.И. Гриценко, А.Е. Корнилов / – М.: «Недра», 1988 – с. 315 – 324.

3. Басарыгин Ю.М. Ремонт газовых скважин / Ю.М. Басарыгин, П.П. Макаренко, В.Д. Мавромати / ОАО Издательство «Недра», 1998. – С. 143-151.

4. Basarigin U. M. Remont gazovih skvazhin/U. M. Basarigin, P.P. Makarenko, V.D. Mavromaty / OAO Izdatelistvo «Nedra», 1998. – S. 143-151.

5. Абубакиров В.Ф. Буровое оборудование: Справочник в 2-х томах – Буровой инструмент / В.Ф. Абубакиров, Ю.Г. Буримов, А.Н. Гноевых и др. / М: ОАО Издательство «Недра» – 2003 – с. 434-475.

6. Abubakirov V. F. Burovoe oborudovanie: Spravochnik v 2-h tomah – Burovoi instrument / V. F. Abubakirov, U. G. Burimov, A. N. Gnoevih i dr. / M: OAO Izdatelstvo «Nedra» – 2003 – s. 434-475.

7. Шляховой С.Д. Аналитические и экспериментальные исследования несущей способности изношенных обсадных труб / С.Д. Шляховой, С.Б. Бекетов / Сборник научных трудов. Строительство газовых и газоконденсатных скважин» / ПАО «Газпром» / Москва, 1997 – с. 15-86.

8. Shlihovoy S. D. Analiticheskoe i eksperimentalnie issledovania nesuchei sposobnosti iznoshenish obsadnih trub / S.D. Shliahovoy, S. B. Beketov / Sbornik nauchnih trudov. Stroitelstvo gazovih i gazokondensatnih skvazhin» / PAO «Gazprom» / Moskva, 1997 – s. 15 – 86.

9. Машков В.А. Повышение надежности работы пакеров за счет изменения конструкции уплотнительного элемента /В.А. Машков, Ю.А. Пуля, С.А. Литвинов, С.А. Паросоченко / Вестник СевКавГТУ, Серия: «Нефть и газ». № 1 (4) – Ставрополь: СевКавГТУ. 2004. – с. 40 – 48.

10. Пат. РФ №2.304.694. Разбуриваемый пакер. М кл. Е21В33/12 / Машков В.А., Пивень О.А. № 2005126271/03. Заявл. 18.08.2005. опубл. 27.02.2007.

11. Пат. РФ № 2473781. Пакер технологический, Мкл. Е21В33/12 / Бекетов С.Б., Акопов С.А., Машков В.А. Заявл. 12.10.2011, опубл. 27.01.2013.

12. Машков В.А. Повышение надежности работы пакеров за счет изменения конструкции уплотнительного элемента / В.А. Машков, Ю.А. Пуля, С.А. Литвинов, С.А. Паросоченко / Вестник СевКавГТУ, серия: «Нефть и газ». № 1(4) – Ставрополь: СевКавГТУ. 2004. – с. 40-48.

13. А. с. СССР № 1832148, Разбуриваемый пакер, Мел Е21В33/12 А.А. Попов, А.А. Домальчук, В.Д. Флыс и др. 214785850/03 – Заявл. 23.01.90., опубл 07.08.93. Бюл. № 29.