CC BY
61
УДК 622.02:531
РАЗРАБОТКА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ СКВАЖИННОГО ЗОНДА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ГИДРОРАЗРЫВА
Александр Александрович Скулкин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, аспирант, тел. (923)143-53-34, e-mail: [email protected]
Представлена новая конструкция скважинного зонда в составе измерительно-вычислительного комплекса «Гидроразрыв» с выведенной из межпакерного пространства плунжерной парой, обеспечивающая повышение надежности управления зондом как на стадии паке-ровки, так и в процессе измерений.
Ключевые слова: измерительный гидроразрыв, скважинный зонд, пакер, плунжерная пара, скважина.
NEW DESIGN OF DOWNHOLE DEVICE FOR HYDRAULIC FRACTURING FOR STRESS MEASUREMENT
Alexander A. Skulkin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Postgraduate, tel. (923)143-53-34, e-mail: [email protected]
The author presents a new design of a downhole device being a part of the measurement and computation equipment Gidrorazryv, with the pump element put out from the interpacker space, ensuring higher reliability control of the downhole device both in setting of packers and in taking measurements.
Key words: hydraulic fracturing for stress measurement, hydrofracturing device, packer, pump element, hole.
Известны технологии гидроразрыва нефтяных пластов с помощью трещин направленной ориентации. В частности, так называемый ориентированный гидроразрыв используется для управления труднообрушаемой кровлей при отработке угольных пластов. При этом в скважинах заранее производится механическое ослабление их контурной зоны.
Параллельно появилось предложение использовать данную технологию в методе измерительного гидроразрыва при определении in-situ действующих в массиве напряжений [1].
В методе измерительного гидроразрыва при использовании в качестве рабочего тела жидких флюидов (масло, суспензия, спиртовый раствор глицерина) можно отметить ряд негативных моментов, сдерживающих его эффективное применение. Прежде всего, это непредсказуемое развитие трещины гидроразрыва. Неоднородности на поверхности скважины, а также в массиве, определяют направление ее зарождения и дальнейшее распространение в породной сре-
де. Также, возможно проявление эффекта «обыгрывания» пакеров, когда трещина развивается вдоль оси скважины и выходит за пределы пакера.
Вероятность проявления последнего эффекта была обнаружена в серии лабораторных испытаний макетов измерительного зонда при гидроразрыве кубических образцов из полиметилметакрилата (оргстекло) [2]. Макеты зондов, при этом, воспроизводили работу его реальной конструкции (рис. 1).
Рис. 1. Двухпакерный зонд измерительно-вычислительного комплекса «Гидроразрыв»: 1 - пакерные элементы, 2 - распорный гидроцилиндр
На первой стадии работы по совершенствованию конструкции измерительного зонда в составе разработанного в ИГД СО РАН измерительно-вычислительного комплекса «Гидроразрыв» (ИВК «Гидроразрыв») были направлены на преодоление отмеченного недостатка. Вариант новой конструкции зонда представлен на рис. 2. Зонд состоит из двух полых стяжек, соединенных в центре стыковым штуцером с отверстием для выхода рабочего флюида в межпа-керную область. На концевых частях стяжек расположены пакерные элементы, разделенные втулками, и распорные гидроцилиндры.
93 ООО СО¿¿01/Xи |
Рис. 2. Двухпакерный измерительный зонд в составе комплекса ИВК «Гидроразрыв»: 1 - стяжка; 2 - адаптер подачи рабочего флюида; 3 - распорный гидроцилиндр;
4 - ограничитель концевой; 5 - пакер; 6 - втулка разделитель; 7 - штуцер стыковой; 8 - трубка; 9 - штуцер; 10 - кольцо уплотнительное; 11 - штуцер под досылочное устройство (трубопровод); 12 - скоба прижимная; 13 - шайба сферическая; 17-21 - стандартные изделия
В лабораторных испытаниях новой конструкции на специально созданном стенде, имитировавшим измерительную скважину, преследовались следующие цели:
- поиск материала и формы пакерных элементов, а также схемы их взаимного размещения с распорными гидроцилиндрами, которые за счет сжатия приводят пакера в соприкосновение со стенками скважины;
- выбор и обоснование линейных размеров пакерных элементов;
- проверка работоспособности новой конструкции и выявление недостатков ее отдельных элементов.
При обосновании линейных размеров пакерных элементов были использованы результаты численного моделирования характера развития трещины гидроразрыва, полученные А.А. Зиновьевым [3]. Моделирование формы трещины при различных соотношениях длины межпакерной зоны L (интервал нагруже-ния) и длины пакеров l показало, что при соотношении L/l=1,33 фронты односторонней трещины, ортогональные оси скважины, не достигают середины пакера, а при L/l=2 трещина развивается далее, чем середина пакера (рис. 2). В целях уменьшения вероятности эффекта «обыгрывания» пакера при расчете линейных размеров пакерных элементов в новой конструкции зонда за основу принято соотношение L/l=1,33. В соответствие с американским стандартом ASTM D4645-04 [4] длина межпакерной зоны L (интервала нагружения скважины) принята равной 5d, где d - диаметр скважины. Таким образом, оптимальная длина пакерного элемента составит 3,75d. При стандартных (алмазное бурение) размерах измерительной скважины 59 и 76 мм соответствующие размеры элементов измерительного зонда получают значения: L59 = 295 мм, l59 = 221 мм; L76 = 380 мм, l76 = 285 мм. Общая длина зондов (с учетом длины гидроцилиндров) достигнет ориентировочно 1030 и 1300 мм, соответственно.
В процессе поиска конструктивного решения по герметизации межпакерной области было испытано ряд стандартных резиновых манжет, которые монтировались перед пакером со стороны межпакерной области. Испытания показали, что использование стандартных резиновых манжет не обеспечивает полной герметизации участка скважины. Решение найдено путем изменения формы полиуретанового пакера, а именно, созданием полуворотниковой уплотнительной манжеты на его торцевой части, обращенной в сторону межпакерной области.
Испытание данной конструкции пакерного элемента проведено в лабораторных условиях в специально созданных макетах скважины. Вначале использовался прозрачный макет из оргстекла, имитировавший участок измерительной скважины диаметром 59 мм (рис. 4). Предварительное сжатие пакера (до
Рис. 3. Результаты расчетов формы единичной трещины для случаев Ь/1 = 1,33 (а) и Ь/1 = 2 (б) (пояснения в тексте)
полного прилегания к стенкам «скважины») производилось вращением винта (рис. 4, поз. 3) с моментом 1.5 Нм. Затем через пробку со штуцером (рис. 4, поз. 5) в «скважину» под давлением подавался флюид (тосол). На рис. 4б видно, что проникновение флюида в зону расположения пакера отсутствует.
Аналогичные испытания проведены в макете скважины из металла. В этом случае проверялась надежность работы уплотнительной манжеты при повышенном давлении. Эффект полной герметизации «скважины» подтвержден при давлении флюида до 25 МПа.
Следующей отличительной особенностью конструкции зонда явилось использование синхронного функционирования пакерующих элементов за счет приведения их в рабочее состояние однотипными гидроцилиндрами (плунжерными парами).
Рис. 4. Устройство для испытания уплотнительной (полуворотниковой) манжеты: а -элементы конструкции (1 - макет скважины диаметром 59 мм; 2 - пакер с манжетой; 3 - винт для предварительного сжатия пакера; 4 - ключ моментный шкальный; 5 - пробка винтовая со штуцером для подачи флюида под давлением); б - устройство в сборе
При этом испытаны различные варианты компоновки пакерных элементов и распорных гидроцилиндров. На рис. 5 представлена передовая часть зонда: а - распорный гидроцилиндр расположен в концевой части зонда, б - распорный гидроцилиндр расположен со стороны межпакерной области.
Вариант б представляется предпочтительным, т.к. размещение распорных гидроцилиндров на центральном стержне в межпакерной зоне (в интервале нагружения), позволяет сократить общую длину (и вес) зонда и уменьшить объем флюида для заполнения межпакерной зоны, так как внешний диаметр гидроцилиндров меньше диаметра скважины.
Кроме того, основываясь на предыдущем опыте [2], в целях надежной герметизации участка скважины и предотвращения эффекта «обыгрывания» паке-ров трещиной гидроразрыва в конструкции зонда использованы составные па-керные элементы в виде полиуретановых цилиндров с разделительными втулками между ними
а
Рис. 5. Варианты конструкции зонда с различным расположением распорных гидроцилиндров и пакеров (пояснение в тексте)
В планах дальнейшего совершенствования конструкции измерительного зонда предусмотрено изменение адаптера для подачи рабочего флюида по патенту РФ № 2433259 [5]. В нем последовательное сообщение внутренних каналов с напорной магистралью реализовано при помощи золотника, установленного внутри корпуса адаптера, управление которым осуществляется путем изменения давления флюида в напорном трубопроводе. Таким образом, осуществляется схема одноканального трубопровода, который одновременно служит досылочным устройством для перемещения зонда по скважине.
Таким образом, в новой конструкции измерительного зонда в составе ИВК «Гидроразрыв», реализовано ряд усовершенствований, направленных на повышение его работоспособности в части надежной герметизации области нагру-жения участка скважины и оптимизации его линейных размеров.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рубцова Е.В., Скулкин А.А. Развитие методических основ и технических средств измерительного гидроразрыва. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013 -№ 5 - С. 188-191.
2. Рубцова Е.В., Скулкин А.А. Разработка элементов двухпакерного зонда для выполнения измерительного гидроразрыва. / Труды ХХ-ой Всероссийской конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли». - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2013. - С. 429 - 435.
3. Зиновьев А. А. Исследование влияния геометрических параметров оборудования на форму и размеры трещины гидроразрыва / Доклад на 22-ой Всероссийской конференции по численным методам решения задач теории упругости и пластичности. - Барнаул: ИВТ СО РАН. - 2011.
4. D 4645 - 04 USA. Standard Test Method for Determination of the In-Situ Stress in Rock Using the Hydraulic Fracturing Method.
5. Патент РФ № 2433259. Устройство для гидроразрыва пород в скважине. / Лекон-цев Ю.М., Леонтьев А.В., Рубцова Е В. - БИ. № 31, 2011.
© А. А. Скулкин, 2015
