CC BY
49УДК 622.245
К ВОПРОСУ О ПРИМЕНЕНИИ НАДУВНЫХ ПАКЕРОВ МНОГОРАЗОВОГО ПРИМЕНЕНИЯ
ON APPLICATION OF REUSABLE INFLATABLE PACKERS
В. Н. Светашов, С. А. Фролов, Д. Д. Водорезов
V. N. Svetashov, S. A. Frolov, D. D. Vodorezov
Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень
Ключевые слова: пакер; разобщение в скважине; ремонт скважин; герметизирующий элемент
Key words: packer; separation in the well; workover; the sealing element
В процессе бурения, освоения или капитального ремонта нефтяных и газовых скважин часто возникает необходимость постоянного или временного разобщения скважин на отдельные участки. Для этих целей применяют специальное оборудование — пакеры.
Пакеры широко применяют при проведении различных технологических операций: гидравлическом разрыве пластов, кислотных и термических обработках пласта, водогазоизоляционных работах, при испытании и т. д.
В настоящее время все большую популярность получают наливные (надувные) пакеры, у которых герметизирующий элемент представляет собой оболочку, закрепленную на корпусе или выполненную заодно с ним. При этом оба ее конца или один неподвижны. Разобщение в скважине достигается за счет растяжения и прижатия оболочки к стенкам скважины под действием избыточного давления закачиваемой или находящейся в скважине жидкости [1].
В России разработкой надувных пакеров начали заниматься около 50 лет назад. Первые опытные образцы данного вида пакеров были созданы в результате совместных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ НПО «Буровая техника» — ВНИИБТ и Научно-исследовательского института резиновой промышленности «НИИРП» диаметром 168 мм и предназначались они для испытателей пластов в нефтяных и газовых скважинах. В лабораторных условиях [1, 2] надувные пакеры обеспечивали герметичное разобщение в металлической трубе стенда при перепадах давления до 23 МПа. В промышленных условиях герметичной пакеровки также достигали в скважинах диаметром 190 и 214 мм. При этом величина отношения диаметра скважины к диаметру пакера доходила до 1,29 [1].
Исследования силы трения пакера о стенки скважины отражены в работах В. Л. Михеева и В. И. Масич [3]. Авторы работы [3] изучали силу трения надувных
№ 1, 2017
Нефть и газ
83
резиновых пакеров конструкций ВНИИБТ, которые используются в качестве герметизирующих устройств в компоновках испытателей пластов без опоры на забой.
Герметизирующий элемент, который применяется для надувных пакеров, изготовлен на основе нитрильных каучуков, подвижность молекулярных цепей которых обусловливает множество конформаций в пределах среднеквадратичного расстояния между концами макромолекулы и существенно влияет на прочность и деформационное поведение резины. Ученые пришли к выводу, что сила трения резины при контакте с горными породами зависит от многих факторов: состава и свойств среды, природы и площади поверхностей контакта, нормального давления, скорости деформирования и т. д. Также исследователи отметили, что наибольшая величина сухого трения возникает при контакте резины с твердыми горными породами (песчаник, известняк, гипс и соль). В этом случае фрикционные сопротивления достаточно велики и энергия, которая необходима для деформирования резины, расходуется на разрушение материала в процессе вязкопластического течения [1, 3].
Как правило, технология надувных пакеров является экономически эффективной, так как позволяет сократить количество спуско-подъемных операций при выполняемых внутрискважинных работах, а также предусматривает многократное применение самого оборудования.
Авторами в ходе анализа российских и зарубежных источников, посвященных применению наливных пакеров, были выявлены основные направления их использования [3-8].
1. Борьба с асфальтосмолопарафинистыми отложениями (АСПО).
2. Глушение скважин. Надувной пакер чаще используется в качестве мостовой пробки и устанавливается в НКТ над пакером.
3. Гидравлический разрыв пласта. Основным преимуществом технологии наливных пакеров при ГРП — это возможность расширенного контроля параметров благодаря возможности оборудования компоновки линией контроля, а также возможность проведения нескольких ГРП в определенных интервалах.
4. Заколонные пакеры при заканчивании. Надувные пакеры могут применяться в качестве заколонных при разобщении продуктивных интервалов в вариантах заканчивания с нецементированным хвостовиком.
5. Испытание пластов и проведение гидродинамических исследований (ГДИ). Благодаря возможности многократного использования в открытом стволе надувные пакеры и двухпакерные компоновки используются при испытании пластов при бурении и ГДИ скважин.
6. Консервация и ликвидация скважин. Надувные пакеры применяются в качестве мостовых пробок при консервации и ликвидации скважин. Причина, по которой используют данные пакеры, заключается в том, что они позволяют загерметизировать скважину по кондуктору через выфрезерованный интервал эксплуатационной колонны.
7. РИР. Ремонтно-изоляционные работы являются основным видом работ, при котором применяются надувные пакеры. Варианты применения данной технологии разнообразны. Надувные пакеры используются в качестве мостовых пробок и двухпакерных компоновок для селективной обработки интервалов с высокой обводненностью. Устанавливаются в горизонтальных стволах для изоляции интервалов посередине и в конце ствола. Также используются при закачке цемента.
8. Кислотные обработки. Надувные пакеры, в основном в виде двухпакерных компоновок, широко применяются при солянокислотных обработках (СКО) для селективной обработки интервалов пласта.
Однако не смотря на многообразие их применения, надувные пакеры обладают и рядом недостатков.
• Риск разрушения внешнего резинового эластомера при спуско-подъемных операциях (СПО).
84
Нефть и газ
№ 1, 2017
• Возникновение проблем при установке в открытом стволе с овальной формой и наличием каверн.
• Выдавливание резины через армирование, металлические полоски и концевые шайбы.
• Главные причины выхода надувных пакеров из строя: разрыв пузыря из-за низкого качества резины и изготовления; применение кабельного армирования при большом коэффициенте расширения; низкая толерантность пакера к дифференциальным давлениям, не предусмотренным планом работ и конструкцией пакера; проблемы с извлечением из-за нарушений внешнего слоя эластомера; использование надувного пакера не по назначению.
В настоящее время основными поставщиками оборудования и услуг в области надувных пакеров являются иностранные нефтесервисные компании, поэтому, на наш взгляд, необходимо разрабатывать комплекс технологий и оборудования, способных создать конкуренцию иностранным и заместить значительную долю импорта соответствующей продукции.
Так, к примеру, компанией Weatherford разработан и внедрен надувной цементировочный пакер, предназначенный для проведения ремонтно-восстановительных работ, и имеющий в своем составе надувной элемент с высокой степенью расширения, закрепленный на прочном основании. Однако предлагаемый пакер представляет собой инструмент однократной установки, имеющий стационарную конструкцию, и
допускает работу с инструментов, выпускающихся компанией Weatherford.
Техническое устройство компании Weatherford не подходит для внутрискважинных работ в обсаженных скважинах и многократного использования. Интересным в данной технологии является система тарельчатого клапана со срезными штифтами, которая препятствует преждевременному надуванию, что сводит к минимуму число неудачных СПО и обеспечивает экономию времени.
Компания ТАМ предлагает четыре типа наливных элементов, позволяющих применять их в вертикальных, горизонтальных, обсаженных или открытых стволах, с расширением 3:1 и температурой до 177 0C.
Пример применения надувного пакера компании ТАМ при ремонтно-изоляционных работах представлен на рис. 1 [9].
Также компания предлагает систему из двух наливных пакеров многоразового применения, соединенных и контролируемых при помощи одной трубки, изготовленной из нержавеющей стали. Регулировка расстояния между пакерами производится при помощи патрубков и/или перфорированных труб.
Компания Halliburton предлагает надувные па-керы для цементирования ESIPC. Данный пакер выдерживает до 275 атм дифференциального давления и может применяться при заканчивании скважин. Уплотнительный элемент пакера создает герметичный контакт с породой. Однако данный пакер не позволяет производить внутрискважинные работы в обсадной колонне и не является пакером многократного использования.
Рис. 1. Пример применения надувного пакера компании ТАМ при ремонтно-изоляционных работах
№ 1, 2017
Нефть и газ
85
Пакер Blue Whale компании Baker Hughes является пакером многократного использования и может использоваться как в обсадной колонне, так и в открытом стволе. Различные исполнения пакеров показаны на рис. 2.
Отличие в исполнениях наливных пакеров заключается в особенностях якорных элементов. В пакерах для обсадных колонн в качестве якоря выступают металлические полоски, являющиеся частью надувного пузыря и обнаженные в одном или двух местах. Благодаря наличию данных полосок при активации пакера металлические полоски с усилием прижимаются к стенке обсадной колонны, в результате высокая сила трения соединения металл — металл фиксирует пакер вдоль оси.
В заколонных наливных пакерах в качестве якоря выступает сам эластомер, так как металлические пластинки в данном случае создадут менее эффективный контакт с породой.
Основные направления развития надувных пакеров следующие.
• Армирование эластомера различными композитными материалами, тканями, также металлическими структурами.
• Применение различных по форме и конфигурации металлических пластин для обеспечения фиксации пакера в колонне.
• Изменение свойств взаимодействия слоев уплотнительного элемента.
• Создание новых способов активации пакеров.
• Создание механизмов управления пакерами с помощью различных манипуляций.
• Оборудование пакеров каналами связи.
На базе производственной площадки Технополиса Тюменского индустриального университета в рамках прикладных научных исследований разрабатываются технологии разобщения внутриколонного пространства скважин посредством надувных пакеров. Цель заключается в повышении эффективности внутрискважин-ных работ с применением надувных пакеров на этапах строительства, эксплуатации и ремонта скважин. Областью внедрения результатов исследований являются сервисные и добывающие компании нефтегазовой отрасли.
В настоящее время авторами разрабатывается надувной пакер, создающий герметичное разобщение полостей обсаженной скважины при широком диапазоне температур и давлений, с возможностью многократной оперативной установки и снятия в ходе одной или ряда внутрискважинных операций. На данный момент проводятся стендовые испытания опытного образца, а также подана заявка на полезную модель конструкции пакера.
Список литературы
1. Аванесов В. А. Пакеры для проведения технологических операций и эксплуатации скважин: учеб. пособие / В. А. Аванесов, Е. М. Москалева. - Ухта: УГТУ, 2008. - 91 с.
2. Ясашин А. М. Испытание скважин / А.М. Ясашин. - М.: Недра, 2000. - 185 с.
3. Масич В. И. Пакеры и якори / В. И. Масич, З. И. Захарчук, В. Л. Михеев. - М.: Недра, 1990. - 259 с.
4. Loginov A. (2013, May 6). Plug and Abandonment Applications for Inflatable Packers in the Gulf of Mexico, USA. Offshore Technology Conference. doi:10.4043/23923-MS
5. Anand, S., Parasher, A., Singh, A. K., Kale, S., & Gupta, K. (2014, March 25). Successful Coil Tubing Based Selective Stimulation of a Remote Well in Challenging Offshore Environment - A Case Study. Offshore Technology Conference. doi:10.4043/24896-MS
86
Нефть и газ
№ 1, 2017
6. Baker, R. (1981, July 1). Latest Developments In Inflatable Packer Drill-stem Testing. Petroleum Society of Canada. doi: 10.2118/81-03-10
7. JPT staff. (2014, February 1). Young Technology Showcase: Fiber Optic Feed-Through Packer Technology Assists Multizone Fracturing and Production Monitoring. Society of Petroleum Engineers. doi:10.2118/0214-0034-JPT
8. Bybee, K. (2000, October 1). Thermally Compensated Inflatable Packers and Plugs. Society of Petroleum Engineers. doi:10.2118/1000-0026-JPT.
9. Интернет-сайт компании TAM Internation [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.tamintl.com.
Сведения об авторах
Светашов Владимир Николаевич, заместитель директора, Технополис, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. + 792204444764, e-mail: [email protected]
Фролов Сергей Андреевич, директор, Технополис, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. +79068203000,
e-mail: [email protected]
Водорезов Дмитрий Дмитриевич, инженер, Технополис, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. + 79068203000, e-mail: vodorezov@gmail. com
Information about the authors
Svetashov V. N., Deputy Director, Technopolis, Industrial University of Tyumen, phone: + 792204444764, e-mail: [email protected]
Frolov S. A., Director, Technopolis, Industrial University of Tyumen, phone: +79068203000, e-mail: frolov_72@inbox. ru
Vodorezov D. D., engineer, Technopolis, Industrial University of Tyumen, phone: + 79068203000, e-mail: vodorezov@gmail. com
