Схема управления двухпакерным зондом при выполнении измерительного гидроразрыва Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВУХПАКЕРНЫМ ЗОНДОМ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ГИДРОРАЗРЫВА

Екатерина Владимировна Рубцова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.

Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук, 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, старший научный сотрудник лаборатории горной информатики, тел. (383) 217-09-30, e-mail: rubth@misd.nsc.ru

В статье рассмотрена новая конструкция двухпакерного зонда в составе измерительновычислительного комплекса «Гидроразрыв», обеспечивающая повышение надежности управления измерительным гидроразрывом при размещении зонда с одним подводящим трубопроводом на больших расстояниях от устья скважины.

Ключевые слова: скважина, гидроразрыв, двухпакерный зонд, золотник, напорная магистраль.

TWO-PACKER SONDE CONTROL IN HYDRAULIC FRACTURING TO PERFORM MEASUREMENTS

Ekaterina Vl. Rubtsova

Federal State-Funded Institution of Science N.A. Chinakal Institute of Mining Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Novosibirsk, Krasny prospect, 54, Senior Researcher Mining Informatics Laboratory, phone: (383) 217-09-30, e-mail: rubth@misd.nsc.ru

The author discusses a new-design two-packer sonde of the measurement and computing complex «Gidrorazryv», enabling increased reliability control of hydraulic fracturing, assisted with a single admitting pipe to install the sonde at large distances from well mouth.

Key words: well, hydraulic fracturing, two-packer sonde, slide valve, delivery pipe.

Метод измерительного гидроразрыва положен в основу разработанного в ИГД СО РАН измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) «Гидроразрыв», который в настоящее время используется на ряде предприятий для экспериментального определения компонент напряжений в массиве горных пород [1]. В состав комплекса входит двухпакерный зонд, с помощью которого герметизируется исследуемый участок скважины и нагнетается флюид (жидкость) в межпакерное пространство до достижения критических напряжений на стенке скважины, приводящих к разрыву пород.

Совершенствование конструкции зонда на предшествующих этапах позволило существенно упростить его монтаж в скважине за счет возможности использования одного напорного трубопровода вместо двух (один использовался для осуществления пакеровки исследуемого участка скважины, а другой - для нагнетания жидкости в межпакерное пространство) [2]. Для обеспечения подачи потока жидкости от одного напорного трубопровода в различные каналы зонда было предложено установить на его торцевой

поверхности рукоятку с эксцентриком, управление которой осуществляется при помощи натяжного троса. Однако при размещении зонда на значительных расстояниях от устья скважины поворот рукоятки управления в требуемые позиции при помощи натяжного троса оказывается проблематичным. Это, в ряде случаев, приводит к нарушению последовательности сообщения выполненных в корпусе зонда каналов с напорной магистралью и затрудняет процесс управления гидроразрывом.

В связи с этим предложена новая конструкция зонда, в которой последовательное сообщение его внутренних каналов с одной напорной магистралью выполняется при помощи золотника, установленного внутри корпуса зонда, а управление золотником осуществляется путем изменения давления жидкости в напорном трубопроводе [3].

Основными элементами зонда, как и в предшествующих конструкциях, являются цилиндрический корпус 1, установленные на его концах уплотнительные элементы 2 и механизм их сжатия в виде поршневой пары 3 с отверстием 4 в цилиндре (рисунок 1, а).

а) б)

Рисунок 1 - Конструкция зонда: а) общий вид; б) - схема управления сообщением каналов с напорной магистралью

В корпусе выполнены канал 5, соединенный с рабочей камерой поршневой пары, и канал 6, соединенный с отверстием 4. Для управления зондом установлен обратный клапан 7 с хвостовиком 8, прижатый к седлу 9 пружиной 10 и золотник 11 с шейкой 12 в средней части (рисунок 1,б).

После установки зонда в скважине на выбранной глубине включают насос и нагнетают жидкость. Жидкость от подводящего трубопровода через гнездо 17 по каналу 18 поступает в предклапанную полость 14, преодолев усилие пружины 10, открывает клапан 7 и далее по каналу 5 проходит в рабочую камеру поршневой пары и в кольцевую проточку 15 под торец золотника 11. При этом золотник удерживается пружиной 13 в исходном положении, поскольку давление в предклапанной полости 14 выше, чем давление в канале 5 за счет перепада давления на клапане 7, а давление жидкости, подводимой к проточке 19 не вызывает осевых перемещений золотника. При поступлении жидкости в рабочую камеру поршневой пары она раздвигается, сжимая уплотнительные элементы, которые, расширяясь в радиальном направлении, соприкасаются со стенками скважины и герметизируют исследуемый участок скважины.

После герметизации исследуемого участка скважины насос выключают, при этом давление в предклапанной полости 14 падает до атмосферного, клапан 7 прижимается пружиной 10 к седлу 9, и давление в заклапанной полости 16, кольцевой проточке 15, канале 5 и рабочей камере поршневой пары сохраняется на прежнем высоком уровне. Высокое давление в кольцевой проточке 15 обеспечивает сжатие пружины 13 и перемещение золотника 11 в осевом направлении до положения, при котором перекрывается сообщение канала 18 с предклапанной полостью клапана 7 и, благодаря шейке 12, сообщаются кольцевые проточки 19 и 20. В этом положении золотника после очередного включения насоса жидкость по каналу 18 через проточки 19 и 20 поступает в канал 6 и далее в герметизированный участок скважины.

Давление жидкости в герметизированном участке скважины можно многократно изменять от атмосферного до максимально допустимого значения, определяемого прочностными свойствами материала уплотнительных элементов 2, например, до 60 МПа при изготовлении последних из полиуретана. Рабочие параметры давления в процессе нагружения и разрушения стенок герметизированного участка скважины регистрируют и затем интерпретируют в терминах напряжений, действующих в породном массиве.

Для извлечения устройства из скважины давление в насосе сбрасывают до атмосферного и хвостовик 8, выступающий из корпуса, перемещают при помощи натяжного троса до открытия клапана 7. При этом жидкость из рабочей камеры поршневой пары 3 проходит по каналам 5, 18 через гнездо 17 на слив.

Таким образом в данной конструкции зонда управление сообщением внутренних каналов зонда с напорной магистралью осуществляется путем изменения давления жидкости от насоса, а натяжной трос используется только после завершения гидроразрыва пород с целью демонтажа устройства, что не требует большой точности. Это упрощает процесс управления зондом, повышая

надежность работы, особенно, при размещении его на больших расстояниях от устья скважины.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Леонтьев А.В. Опыт практического применения измерительного гидроразрыва / А.В. Леонтьев, С.Н. Попов // Горный журнал. - 2003. - № 3.

2. Патент РФ № 2320870. Устройство для гидроразрыва пород в скважине / Леонтьев А.В., Леконцев Ю.М., Рубцова Е.В. // Опубл. в Б.И. № 9, 2008.

3. Патент РФ № 2433259. Устройство для гидроразрыва пород в скважине / Леконцев Ю.М., Леонтьев А.В., Рубцова Е.В. // Опубл. в Б.И № 31, 2011.

© Е.В. Рубцова, 2012