СПОСОБ ТАМПОНИРОВАНИЯ СКВАЖИН Российский патент 1994 года по МПК E21B33/132 

Изобретение относится к бурению скважин и может быть использовано для тампонирования осложненных интервалов скважин в целях ликвидации поглощений промывочной жидкости, закрепления стенок скважин, сложенных из неустойчивых горных пород.

Известен способ тампонирования скважин, включающий спуск в скважину тампонажного устройства до установки его сливных отверстий на уровне верхней границы тампонируемого интервала и последующее импульсное нагнетание тампонажного раствора в скважину через сливные отверстия тампонажного устройства [1] .

Данный способ не обеспечивает возможность надежного тампонирования осложненных интервалов, имеющих большую протяженность (например, более 5-7 м), что связано с затуханием импульсов давления при их прохождении через длинный столб вязкого тампонажного раствора. Затухание импульсов обусловлено диссипационными потерями энергии в вязкой среде и гидравлическим сопротивлением кольцевого пространства, заполненного тампонажным раствором.

Известен также способ тампонирования скважин, включающий спуск в скважину тампонажного устройства с перепускным каналом и сливными отверстиями до установки последних на уровне нижней границы тампонируемого интервала и последующий подъем тампонажного устройства с одновременным импульсным нагнетанием тампонажного раствора в скважину через сливные отверстия тампонажного устройства, причем в процессе подъема скважинное пространство под тампонажным устройством сообщают через перепускной канал и его заборные отверстия с затрубным пространством скважины, расположенным над сливными отверстиями [2] .

Данный способ осуществляется с помощью известного устройства, включающего контейнер с продольным перепускным каналом для перепуска бурового раствора, сливными отверстиями и поршнем, разделяющим контейнер на надпоршневую полость и рабочую полость, заполненную тампонажным раствором, и установленный над контейнером пульсатор, выходной канал которого сообщается с надпоршневой полостью, при этом в верхней части перепускного канала выполнены заборные отверстия, расположенные выше сливных отверстий.

При тампонировании по известному способу скважин с большой разработкой ствола и/или с низким гидростатическим давлением бурового раствора в тампонируемом интервале (т. е. с небольшой высотой столба жидкости в скважине над тампонируемым интервалом), что обуславливает низкое гидравлическое сопротивление кольцевого затрубного пространства в зоне сливных отверстий тампонажного устройства, высота подъема тампонажного раствора над сливными отверстиями возрастает вследствие низкого гидравлического сопротивления указанного пространства. Кроме того, высота подъема тампонажного раствора над сливными отверстиями возрастает также при использовании высокотекучих, например, полимерных, тампонажных растворов.

При возрастании высоты подъема тампонажного раствора над сливными отверстиями соответственно возрастает опасность попадания тампонажного раствора в заборные отверстия и перепускной канал, после закупорки которых под тампонажным устройством в процессе его подъема создается зона разряжения, обуславливающая известный поршневой эффект, вызывающий непроизводительные затраты тампонажного раствора вследствие его эжекции в зону разряжения, а также затяжки и прихваты тампонажного устройства в зоне тампонирования и снижение амплитуды импульсов давления, воздействующих на тампонажный раствор в затрубном пространстве. В результате возрастают затраты на тампонажный материал, повышается уровень аварийности при эксплуатации тампонажного устройства, работающего по известному способу, и снижается надежность тампонирования скважин.

Для исключения забивания заборных отверстий и перепускного канала тампонажным раствором необходимо увеличивать расстояние между заборными и сливными отверстиями, что нежелательно, т. к. вызывает увеличение осевого габарита и веса устройства, а также увеличение гидравлического сопротивления внутреннего патрубка вследствие увеличения его длины, что также нежелательно, поскольку приводит к снижению амплитуды импульсов давления на выходе сливных отверстий.

Вместе с тем при низком гидравлическом сопротивлении затрубного пространства, имеющем место при большой разработке ствола скважины, а также при небольшой высоте столба жидкости в скважине над тампонируемым интервалом и при использовании высокотекучих тампонажных растворов с пониженной вязкостью, ослабляется гидравлический подпор (сопротивление) на пути движения тампонажного раствора по кольцевому затрубному пространству вверх и вниз от сливных отверстий. В результате возрастают непроизводительные затраты тампонажного раствора за счет увеличения части раствора, остающейся в затрубном пространстве и не попадающей в трещины, поры и каверны тампонируемого интервала. Кроме того, ослабление указанного гидравлического подпора вызывает снижение рабочей амплитуды импульсов давления в тампонажном растворе, находящемся в затрубном пространстве в зоне сливных отверстий, вследствие чего уменьшается глубина прони- кания тампонажного раствора в трещины и поры горных пород и соответственно снижается надежность тампонирования скважин.

Целью изобретения является повышение надежности тампонирования скважин за счет увеличения глубины проникания тампонажного раствора в трещины горных пород и исключения возможности забивания перепускного канала тампонажным раствором.

Достигается это тем, что в отличие от известного способа, включающего спуск в скважину тампонажного устройства с перепускным каналом и сливными отверстиями до установки последних на уровне нижней границы тампонируемого интервала и последующий подъем тампонажного устройства с одновременным импульсным нагнетанием тампонажного раствора в скважину через сливные отверстия тампонажного устройства, причем в процессе подъема скважинное пространство под тампонажным устройством сообщают через перепускной канал и его заборные отверстия с затрубным пространством скважины, расположенным над сливными отверстиями, по предлагаемому способу затрубное пространство между сливными и заборными отверстиями герметизируют пакером, а подъем тампонажного устройства осуществляют ступенчато, чередуя его с остановками, во время которых разобщают скважинное пространство под тампонажным устройством с затрубным пространством скважины путем перекрытия перепускного канала, причем в процессе ступенчатого подъема тампонажного устройства высоту h его подъема на каждой ступени и продолжительность t_o каждой остановки задают из условий:
h ≅l; t_o ≥t, где l - максимальная мощность (протяженность) интервала скважины, который может быть протампонирован (заизолирован) с достаточной надежностью (с обеспечением проникания тампонажного раствора в дефекты горных пород на заданную глубину) при импульсном нагнетании тампонажного раствора без подъема тампонажного устройства;
t - требуемая продолжительность импульсного нагнетания тампонажного раствора в интервал мощностью l до заполнения тампонажным раствором дефектов горных пород (трещин, пор и каверн) в указанном интервале на заданную глубину от стенок ствола скважины, обеспечивающую требуемую надежность тампонирования скважины.

С целью сокращения расхода тампонажных материалов на время подъема тампонажного устройства между его остановками прекращают нагнетание тампонажного раствора.

Кроме того, с целью повышения надежности тампонирования скважины тампонажным устройством, оснащенным контейнером, регистрируют момент окончания вытеснения тампонажного раствора из контейнера и соответствующее указанному моменту положение пакера, и в случае, если пакер к моменту окончания вытеснения тампонажного раствора из контейнера находился ниже кровли тампонируемого интервала, выполняют повторный рейс тампонажного устройства. Вместе с тем при тампонировании интервалов большой мощности несколькими рейсами тампонажного устройства, оснащенного контейнером, при каждом рейсе регистрируют момент окончания вытеснения тампонажного раствора из контейнера и соответствующее указанному моменту положение пакера, а при выполнении последующего рейса тампонажного устройства его спуск прекращают после установки пакера на расстоянии h≅l над кровлей затампонированного предыдущим рейсом интервала.

Следует отметить, что двухстороннюю герметизацию затрубного пространства выше и ниже сливных отверстий (фиг. 1) можно обеспечить и при непрерывном подъеме устройства без остановок, предусмотренных предлагаемым способом. Однако реализовать герметизацию затрубного пространства ниже сливных отверстий без остановок устройства технически достаточно сложно, т. к. указанная герметизация требует разработки нижнего пакера самоуплотняющегося типа (поскольку отсутствует какая-либо возможность управления его положением), не подверженного заклиниванию вместе с устройством при подъеме последнего. Из патентного фонда известно тампонажное устройство, при подъеме которого в процессе тампонирования скважины затрубное пространство ниже сливных отверстий устройства герметизируется гидромеханическим пакером, содержащим набор уплотнительных эластичных манжет, разделенных шайбами. Манжеты снимаются поршнем, на который действует давление тампонажной смеси. Применение такого пакера может вызвать аварию в скважине в результате прихвата пакера, вероятность которого при такой конструкции и принципе действия весьма велика. Прихват пакера может произойти, например, при чрезмерном давлении смеси на поршень, а также в результате попадания в зазор между стенками скважины и конусом кусков пород из неустойчивого интервала скважины, что может вызвать заклинивание конуса, сопровождающееся еще большим сжатием манжет, усиливающим прихват пакера и всего устройства в скважине. Применение данного пакера в предлагаемом устройстве не приемлемо также по той причине, что импульсный характер изменения давления тампонажной смеси будет вызывать пульсирующее сжатие и разжатие манжет, что нарушит герметичность пакера.

В предлагаемом способе и его устройстве используется более простой путь достижения герметизации низа тампонажного устройства при его подъеме за счет разобщения скважинного пространства под тампонажным устройством с затрубным пространством скважины путем перекрытия перепускного канала устройства.

Указанное разобщение вызывает техническое противоречие, выражающееся в появлении поршневого эффекта при подъеме устройства с перекрытым перепускным каналом, сопровождающееся рядом негативных последствий, изложенных в разделе, касающемся критики прототипа. Данное противоречие устранено в предлагаемом способе за счет ступенчатого подъема тампонажного устройства, чередующегося с остановками. При этом во время движения тампонажного устройства скважинное пространство под тампонажным устройством сообщают с затрубным пространством, что исключает поршневый эффект, а во время остановок разобщают, обеспечивая герметизацию низа устройства. Техническая реализация данного способа герметизации нижней части устройства отличается простотой, т. к. обеспечивается постановкой в перепускном канале устройства обратного клапана, имеющего простую и надежную в работе конструкцию. Достоинством такого способа герметизации является также безаварийность его применения в отличие от способа герметизации, рассмотренного выше (авт. св. N 979618).

Вместе с тем предлагаемое изобретение не содержит каких-либо технических или физических противоречий, препятствующих практической реализации заложенного в нем технического решения и достижению положительного эффекта, выражающегося в повышении надежности тампонирования скважин за счет увеличения глубины проникания тампонажного раствора в трещины горных пород и исключения возможности забивания перепускного канала тампонажным раствором.

На фиг. 1 схематично изображен общий вид устройства для осуществления способа; на фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1 (левые части проекций на фиг. 1 и фиг. 2 соответствуют исходному положению устройства, а правые части - его рабочему положению в скважине).

Тампонажное устройство включает трубчатый контейнер 1 с пробкой 2, перекрывающей отверстие в его нижнем конце, сливными отверстиями 3, расположенными ниже пробки 2, и поршнем 4, разделяющим контейнер на надпоршневую полость 5 и рабочую полость 6, заполненную тампонажным раствором, и генератор гидравлических импульсов, установленный над контейнером 1. Нижняя часть контейнера выполнена с возможностью перепуска бурового раствора из зоны затрубного пространства скважины, расположенной выше сливных отверстий 3, в скважинное пространство под тампонажным устройством, при его подъеме в процессе тампонирования. Для этого нижняя часть контейнера выполнена из двух соосных патрубков 7 и 8 с образованием между ними кольцевого перепускного канала 9, сообщающегося в верхней части с затрубным пространством через заборные отверстия 10, выполненные в верхней части наружного патрубка 8 выше сливных отверстий 3. К наружной трубе 8 крепится посредством резьбового соединения патрубок 11, с которым скреплен в соосном положении внутренний патрубок 7, соединенный конусным переходником 12 с контейнером 1 и патрубком 8. Патрубки 11 и 7 установлены с образованием между ними кольцевого перепускного канала 13, являющегося продолжением канала 9. При этом в указанных патрубках выполнены продольные и расположенные друг против друга сливные отверстия, сообщающиеся посредством сливных патрубков 14 с образованием между ними каналов 15 (фиг. 2) для перепуска бурового раствора. Пробка 2 устанавливается в патрубке 7 выше сливных отверстий 3, а нижний конец патрубка 7 снабжен заглушкой (днищем) 16, исключающей попадание тампонажного раствора в перепускной канала 13. Патрубок 7 имеет внутренний диаметр в зоне сливных отверстий 3 больше по величине, чем в его верхней части - в зоне размещения пробки 2, благодаря чему обеспечивается свободное опускание пробки 2 после ее выбивания импульсами давления вниз - в зону сливных отверстий 3, что способствует их полному открытию.

На наружном патрубке 11 над сливными отверстиями 3 установлен пакер, выполненный, например, в виде самоуплотняющейся манжеты 17, установленной соосно с контейнером в корпусе 18, соединенном верхним концом с патрубком 8 и нижним концом с патрубком 11. При этом нижний свободный эластичный конец манжеты 17 снабжен наружным кожухом 19, закрепленным на ползуне 20, который установлен на патрубке 11 с возможностью осевого перемещения совместно с кожухом 19, а пробка 2 соединена с ползуном 20 радиальными стержнями 21, проходящими через сливные отверстия 3. В транспортном положении устройства ползун 20 закреплен относительно патрубка 11 фиксатором, выполненным, например, в виде срезного элемента 22, а в рабочем положении устройства верхний конец кожуха 19 находится ниже верхнего уровня сливных отверстий 3. Верхний конец пробки 2 уплотнен относительно патрубка 7 и выполнен на уровне, расположенном не ниже уровня верхнего конца кожуха 19, а нижний конец манжеты 17 расположен не ниже верхнего уровня сливных отверстий 3. В целях повышения надежности герметизации затрубного пространства над сливными отверстиями 3 пакер может иметь несколько установленных друг над другом (по высоте) манжет 17. В этом случае кожух 19 выполняется такой длины, чтобы его верхний конец в исходном положении закрывал верхнюю из указанных манжет. Патрубок 11 соединен с нижним подпорным патрубком 23, в верхней части которого установлен обратный клапан, выполненный, например, в виде подпружиненного шарового затвора 24 и седла 25 с центральным отверстием, перекрываемым затвором 24. Для повышения полезного гидравлического сопротивления зазора между подпорным патрубком 23 и скважиной на наружной поверхности патрубка 23 может быть выполнен ряд кольцевых проточек 26, создающих эффект лабиринтного уплотнения, используемого в гидравлических устройствах различного назначения. Усилие предварительного сжатия пружины шарового затвора 24 выбирают небольшой величины с тем, чтобы указанный затвор мог открываться сразу с началом образования на нем перепада давления.

Генератор гидравлических импульсов может быть выполнен, например, в виде струйно-дефлекторного пульсатора, содержащего верхний переходник 27 с подводящим каналом 28, корпус 29 со сливными окнами 30 и сопловой полостью 31, сообщающейся через сливные окна 30 с затрубным пространством, и нижний переходник 32, соединенный с контейнером 1. В сопловой полости 31 размещены питающее сопло 33 с обоймой 34, приемное сопло 35, закрепленное на переходнике 32, и установленный между соплами 33 и 35 дефлектор 36 с отверстиями 37 и патрубком 38, соединяющим дефлектор с верхним переходником 27. При этом питающее сопло 33 сообщается с подводящим каналом 28, а приемное сопло 35 - с надпоршневой полостью 5. Обойма 34 соединена с нижним переходником 32 при помощи центрального стержня 39, а сопла 33 и 35 установлены соосно друг с другом и эксцентрично относительно оси устройства. Верхний конец корпуса 29 опирается через подшипник 40 на буртик верхнего переходника 27.

Устройство снабжено также сигнализатором окончания рабочего хода поршня 4, включающим размещенный в обойме 34 подпружиненный затвор 41, перекрывающий осевое отверстие в обойме 34, сообщающее подводящий канал 28 с сопловой полостью 31 через перепускной канал 42. Затвор 41 снабжен штоком 43, соединенным с поршнем 4 гибкой связью 44.

При тампонировании осложненных интервалов, залегающих на небольшой глубине, генератор гидравлических импульсов может быть расположен на поверхности. Возможна также доставка тампонажного раствора к зоне тампонирования не в контейнере устройства, а по колонне бурильных труб, к которой оно подвешено. В этом случае тампонажное устройство снабжается генератором гидравлических импульсов, позволяющим преобразовывать статическое давление тампонажного раствора, нагнетаемого насосом по колонне бурильных труб, в импульсное давление, а контейнер 1 с поршнем 4 исключаются из конструкции устройства.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

До начала тампонирования определяют по керновому материалу, отобранному в процессе бурения скважины, а также с помощью различных методов скважинных исследований (механических, гидродинами- ческих, геофизических и т. п. ) параметры тампонируемого интервала: местоположение и мощность (протяженность) L интервала осложнения (например, интервала, поглощающего буровой раствор), пластовые условия в зоне тампонирования (пластовое давление и температуру, скорость циркуляции пластовых вод и т. п. ), параметры, характеризующие дефекты горных пород (вид дефектов: трещины, поры, каверны; раскрытие, густоту и пространственное положение трещин, размеры пор, каверн и др. ). С учетом указанных параметров по расчетным формулам, графикам или таблицам, получаемым на базе результатов теоретических исследований процесса импульсного течения тампонажных растворов по кольцевым и щелевым зазорам и через пористые и кавернозные среды, а также на базе результатов экспериментальных исследований процесса импульсного течения тампонажного раствора в моделях, имитирующих кольцевое затрубное пространство и трещиноватые, пористые и кавернозные пласты горных пород, определяют максимальную мощность (протяженность) l интервала скважины, который может быть протампонирован (заизолирован) с достаточной надежностью, с обеспечением проникания тампонажного раствора в дефекты (трещины, поры и каверны) горных пород на заданную глубину при импульсном нагнетании тампонажного раствора без подъема тампонажного устройства, а также требуемую продолжительность t импульсного нагнетания тампонажного раствора в указанный интервал мощностью l до заполнения тампонажным раствором дефектов горных пород (трещин, пор, каверн) в данном интервале на заданную глубину от стенок ствола скважины, обеспечивающую требуемую надежность тампонирования скважины.

После этого заправляют рабочую полость 6 контейнера 1 (в случае применения контейнерной доставки тампонажного раствора к зоне тампонирования) и опускают тампонажное устройство на колонне бурильных труб в скважину к зоне тампонирования. Спуск прекращают после установки сливных отверстий 3 над нижней границей (подошвой) тампонируемого интервала. При этом расстояние h от пакера до указанной границы выдерживают в пределах, определяемых условием h ≅l.

Затем включают буровой насос, нагнетающий промывочную жидкость по колонне бурильных труб в подводящий канал 28 пульсатора и приводят указанную колонну во вращение. Из подводящего канала 28 жидкость поступает под давлением в питающее сопло 31, на выходе которого формируется мощная турбулентная напорная струя, направленная в сторону приемного сопла 35. Одновременно дефлектор 36 получает вращательное движение от буровой колонны через верхний переходник 27 и соединенный с ним патрубок 38. В процессе вращения дефлектора 36 струя периодически попадает через его отверстия 37 в приемное сопло 35. При каждом попадании струи в сопло 35 на его выходе и соответственно в надпоршневой полости 5 формируется импульс давления, а в периоды, когда струя перерезается дефлектором 36 и не попадает в сопло 35, жидкость, попадающая в сопловую полость 31 из сопла 33, сливается из нее через сливные окна 30 в затрубное пространство скважины. В результате подводимый к устройству поток промывочной жидкости постоянного давления трансформируется с помощью пульсатора в пульсирующий поток, частота которого равна частоте вращения буровой колонны, умноженной на число отверстий 37 в дефлекторе 36.

Формируемые в надпоршневой полости 5 гидравлические импульсы передаются через поршень 4 тампонажному раствору, находящемуся в рабочей полости 6. Под действием импульсного давления со стороны тампонажного раствора срезается фиксирующий срезной элемент 22 и пробка 2 перемещается вниз вместе с ползуном 20 и кожухом 19. Поскольку, как указано выше, верхний конец пробки 2 уплотнен относительно патрубка 7 и выполнен на уровне, расположенном не ниже уровня верхнего конца кожуха 19, а нижний конец манжеты 17 расположен не ниже верхнего уровня сливных отверстий 3, кожух 19 при своем движении вниз сходит с манжет 17 до начала открытия верхним концом пробки 2 сливных отверстий 3 (т. е. до начала гидравлического сообщения рабочей полости 6 контейнера с затрубным пространством). Это гарантирует раскрытие манжеты 17 и срабатывание пакера, в том случае, если пробка 2 по каким-либо причинам (например, в случае заклинивания пробки 2 или ползуна 20) не дойдет до своего нижнего положения. После опускания пробки 2 рабочая полость 6 контейнера сообщается через сливные отверстия 3 с затрубным пространством, а манжета 17 приводится в рабочее положение за счет ее упругих сил и перекрывает затрубное пространство выше сливных отверстий 3. В дальнейшем под действием импульсного давления со стороны поршня 4 тампонажный раствор совершает импульсное движение из рабочей полости 6 через сливные отверстия 3 в затрубное пространство ниже пакера, заполняя трещины, поры и каверны горных пород тампонируемого интервала скважины. При этом самоуплотняющаяся манжета 17 (или набор манжет) препятствует продвижению тампонажного раствора по затрубному пространству вверх от сливных отверстий 3. В то же время обратный клапан 24, установленный в подпорном патрубке 23, блокирует перепуск бурового раствора из-под тампонажного устройства по патрубку 23, каналам 13 и 9 и заборным отверстиям 10 в затрубное пространство выше пакера. Указанное блокирование препятствует продвижению тампонажного раствора по затрубному пространству вниз от нижней границы (подошвы) тампонируемого интервала, т. к. буровой раствор в указанном пространстве заперт обратным клапаном. В результате тампонажный раствор совершает импульсное движение только в дефекты (трещины, поры и каверны) горных пород, находящиеся в интервале высотой h, верхняя граница которого находится на уровне манжеты 17, а нижняя - на уровне нижней границы тампонируемого интервала. Таким образом, обратный клапан, установленный в перепускном канале устройства, в функциональном отношении выполняет по существу роль нижнего пакера, герметизирующего низ устройства.

Импульсное нагнетание тампонажного раствора осуществляют в течение времени t_o, задаваемого из условия t_o ≥t. По истечении времени t_o с начала импульсного нагнетания тампонажного раствора в интервал h тампонажное устройство плавно приподнимают на высоту, равную h. В процессе подъема устройства давление под тампонажным устройством снижается, в результате чего возникает перепад давления в перепускном канале 13 и во внутренней полости патрубка 23. Под действием указанного перепада давления затвор 24 опускается вниз, открывая отверстие в седле 25, после чего буровой раствор перепускается из зоны затрубного пространства, расположенный над пакером, в скважинное пространство под тампонажным устройством через заборные отверстия 10, каналы 9 и 13, отверстие в седле 25 обратного клапана и патрубок 23. За счет указанного перепуска бурового раствора исключается поршневой эффект при подъеме тампонажного устройства.

По окончании подъема на высоту h устройство останавливают на время t_o, в течение которого затвор 24 находится в закрытом положении, затем вновь плавно приподнимают на новую ступень высотой h и вновь останавливают на время t_o. Описанный процесс повторяют до достижения сливными окнами 3 устройства верхней границы (кровли) тампонируемого интервала.

При осуществлении способа с помощью тампонажного устройства, оснащенного контейнером (фиг. 1), возможна ситуация, при которой тампонажный раствор может вытесниться из контейнера 1 раньше, чем манжета 17 пакера поднимется выше кровли тампонируемого осложненного интервала. В результате верхний участок осложненного интервала может оказаться незатампонированным. Данная ситуация может возникнуть даже при небольшой мощности тампонируемого интервала при большой разработке ствола скважины или при наличии в тампонируемом интервале крупных трещин или каверн, на заполнение которых требуется большой объем тампонажного раствора. Отсутствие информации о том, в какой момент в процессе ступенчатого подъема тампонажного устройства оканчивается вытеснение тампонажного раствора из контейнера, исключает возможность контроля за окончанием процесса тампонирования и в конечном итоге снижает надежность последнего, т. к. допускает возможность неполной изоляции верхнего участка осложненного интервала.

Для повышения надежности тампонирования скважин с использованием тампонажного устройства, оснащенного контейнером, производят контроль окончания процесса тампонирования, для чего регистрируют момент окончания вытеснения тампонажного раствора из контейнера путем подачи сигнала об окончании рабочего хода поршня 4, который в конце своего рабочего хода натягивает гибкую связь 44 и открывает затвор 41, сообщающий подводящий канал 28 с затрубным пространством через перепускной канал 42 и сопловую полость 31. В результате давление в канале 28 и в буровой колонне падает, что служит информационным сигналом об окончании вытеснения тампонажной смеси из рабочей полости 6 контейнера. Если в момент получения сигнала об окончании рабочего хода поршня 4 манжета 17 пакера находилась ниже кровли тампонируемого интервала, то это означает, что верхний участок осложненного интервала остался незаизолированным. В этом случае выполняют повторный рейс тампонажного устройства, при котором осуществляют тампонирование незаизолированного верхнего участка осложненного интервала.

В случае, когда осложненный интервал имеет большую мощность и для его тампонирования используется тампонажное устройство, оснащенное контейнером (фиг. 1), тампонирование указанного интервала выполняют несколькими рейсами тампонажного устройства. При этом контролируют на какой отметке по глубине заканчивается тампонирование каждого предыдущего рейса, для определения глубины, с которой необходимо начинать тампонирование при каждом последующем рейсе тампонажного устройства. Для осуществления указанного контроля при каждом рейсе регистрируют момент окончания вытеснения тампонажного раствора из контейнера по падению давления на манометре бурового насоса (или другом приборе, подключенном к нагнетательной линии бурового насоса), вызываемому открытием затвора 41 в конце рабочего хода поршня 4, натягивающего гибкую связь 44, перемещающую шток 43 с затвором 41 в нижнее положение. После получения указанного сигнала об окончании вытеснения тампонажного раствора из контейнера ступенчатый подъем тампонажного устройства прекращают и фиксируют глубину залегания кровли затампонированного данным рейсом интервала, соответствующую глубине, на которой находится нижний конец пакера (манжеты 17) при последней остановке тампонажного устройства. Если сигнал об окончании вытеснения тампонажного раствора из контейнера получен не в процессе подъема тампонажного устройства с одной ступени на другую, а при его остановке, то в этом случае фиксируют также продолжительность t_o последней остановки тампонажного устройства. После этого выполняют последующий рейс тампонажного устройства, при котором спуск последнего прекращают после установки пакера на расстоянии h≅l над кровлей затампонированного предыдущим рейсом интервала, если при выполнении указанного рейса продолжительность последней остановки составила t_o ≥t или в случае, если сигнал об окончании импульсного вытеснения тампонажного раствора из контейнера был получен не при остановке, а в процессе подъема тампонажного устройства с одной ступени на другую. Если же продолжительность последней остановки составила t_o < t, то спуск тампонажного устройства прекращают после установки пакера на глубине, на которой он находился при окончании вытеснения тампонажного раствора из контейнера при предыдущем рейсе.

Величина параметров h и t_o может быть одинаковой для всех ступеней подъема тампонажного устройства в тех случаях, когда дефекты горных пород (трещины, поры и каверны) рассредоточены равномерно по высоте тампонируемого интервала L, а также в случае, когда характер распределения дефектов не установлен. Если же при исследовании подлежащей тампонированию осложненной зоны скважины будет установлено, что указанные дефекты распределены по высоте интервала L неравномерно, данный интервал можно разделить на участки h₁, h₂, . . . , h_n в соответствии с выражением
L = h₁ + h₂ + . . . + h_n, где n - количество участков, равное числу остановок тампонажного устройства, включая начальную остановку.

При этом участки h₁, h₂, . . . , h_n могут отличаться по длине, а также по видам дефектов и их параметрам. Соответственно будет различной продолжительность остановок t₀₁, t₀₂, . . . t_0nтампонажного устройства при тампонировании данных участков. Возможны также случаи, когда в тампонируемом интервале содержатся участки, не имеющие дефектов горных пород. В таких случаях указанные участки проходят без остановок тампонажного устройства.

Во время подъема тампонажного устройства между его остановками тампонажный раствор под действием импульсного давления заполняет затрубное пространство в интервале высотой h. Вместе с тем часть тампонажного раствора может при определенных условиях опускаться вниз по затрубному пространству между подпорным патрубком 23 и стенками скважины в сторону зоны пониженного давления, образующейся под патрубком 23 при подъеме устройства, в результате чего могут возникнуть непроизводительные потери тампонажного раствора. К указанным условиям, сопутствующим непроизводительным затратам тампонажного раствора, следует отнести большую разработку ствола скважины в зоне тампонирования, обуславливающую большой зазор между патрубком 23, наружный диаметр которого равен диаметру контейнера 1, и стволом скважины. Кроме того, к указанным условиям можно отнести также высокую текучесть используемого (например, полимерного) тампонажного раствора, большое по продолжительности время подъема устройства между его остановками, обусловленное большой высотой h и малой скоростью подъема, а также наличием в тампонируемом интервале свободных от дефектов участков, которые проходят в процессе тампонирования без остановки тампонажного устройства.

При наличии указанных условий в целях снижения расхода тампонажных материалов за счет исключения непроизводительных затрат тампонажного раствора на время подъема тампонажного устройства между его остановками прекращают нагнетание тампонажного раствора. При тампонировании устройством с контейнером, показанным на фиг. 1, для этого выключают буровой насос и вращение буровой колонны, а при тампонировании устройством с генератором гидравлических импульсов, расположенным на поверхности, временно отключают указанный генератор. В случае же доставки тампонажного раствора к зоне тампонирования путем его нагнетания по колонне бурильных труб отключают на время подъема устройства насос, нагнетающий тампонажный раствор.

При отсутствии указанных выше условий, обуславливающих непроизводительные затраты тампонажного раствора, прекращать нагнетание тампонажного раствора в периоды подъема тампонажного устройства между его остановками нецелесообразно, т. к. указанное прекращение нагнетания сопровождается усложнением технологического процесса тампонирования за счет выполнения дополнительных операций по прекращению нагнетания тампонажного раствора в начале подъема тампонажного устройства на каждой ступени тампонирования и возобновлению указанного нагнетания по окончании подъема. В данном случае для снижения перетока тампонажного раствора вниз от сливных отверстий 3 по затрубному пространству в периоды подъема тампонажного устройства при его ступенчатом движении по стволу скважины достаточно гидравлического сопротивления (подпора) кольцевого зазора между стволом скважины и подпорным патрубком 23. Величина указанного сопротивления возрастает с увеличением длины патрубка 23. Кроме того, полезное гидравлическое сопротивление в зазоре между патрубком 23 и стволом скважины может быть увеличено также с помощью выполненных на наружной поверхности указанного патрубка кольцевых проточек 26, создающих эффект лабиринтного уплотнения.

П р и м е р 1. В процессе бурения геологоразведочной скважины на угольном месторождении при глубине забоя 538 м открывается полное поглощение промывочной жидкости. По данным расходометрии скважины зона поглощения расположена в интервале 466-472 м и соответственно имеет мощность 6 м. Керновый материал, поднятый из зоны поглощения, включает песчаник с равномерно распределенными по всей длине керна трещинами с раскрытием порядка 2-3 мм. По данным кавернометрии ствол скважины в зоне поглощающего пласта составляет 94-95 мм при диаметре бурения 93 мм, т. е. скважина в зоне тампонирования практически не разработана. Указанные условия позволяют вести тампонирование осложненного интервала без прекращения нагнетания тампонажного раствора во время подъема тампонажного устройства между его остановками.

На основе опытных и теоретических данных задают с учетом скважинных условий величину мощности l интервала скважины, который может быть заизолирован с достаточной надежностью без подъема тампонажного устройства (т. е. мощность интервала, который может быть надежно заизолирован за одну остановку тампонажного устройства), l = 2,5 м, а также требуемую продолжительность t импульсного нагнетания тампонажного раствора в указанный интервал, t = 85 с.

В соответствии с величиной l = 2,5 м тампонируемый интервал мощностью 6 м разбивают на 3 ступени с высотой подъема тампонажного устройства на каждой ступени h = 2 м, что соответствует условию h≅l, и в соответствии с условием t_o≥t задают продолжительность остановок t_o = 90 с.

Для тампонирования используют тампонажное устройство без контейнера с закачкой тампонажного раствора по колонне бурильных труб и преобразованием статического давления раствора в импульсное с помощью генератора гидравлических импульсов (пульсатора), установленного над тампонажным устройством. Тампонажное устройство спускают в скважину до установки нижнего конца манжеты 17 пакера на глубине 470 м и соответственно на расстоянии h₁ = 2 м выше подошвы тампонируемого интервала (соответствует первой остановке тампонажного устройства).

Включают буровой насос и вращатель бурового станка и с помощью гидравлического генератора формируют в надпоршневой полости 5 импульсы давления, что приводит к срезанию элемента 22, опусканию пробки 2 вместе с кожухом 19 и раскрытию манжеты 17, перекрывающей кольцевой зазор в затрубном пространстве выше сливных отверстий 3. В дальнейшем под действием импульсного давления тампонажный раствор поступает через сливные отверстия 3 в затрубное пространство ниже пакера, заполняя трещины, поры и каверны горных пород в интервале h₁ = 2 м. При этом движение тампонажного раствора вверх по затрубному пространству выше интервала h₁ блокируется манжетой 17 пакера, а его движение вниз по затрубному пространству ниже интервала h₁ исключается обратным клапаном 24, находящимся в закрытом положении и блокирующим перепуск бурового раствора из-под тампонажного устройства в затрубное пространство выше пакера.

По истечении времени t₀₁= 90с с начала импульсного нагнетания тампонажного раствора тампонажное устройство плавно приподнимают на высоту, равную h₂ = 2 м, без выключения бурового насоса и вращателя бурового станка. В процессе подъема обратный клапан 24 открывается вследствие воздействия перепада давления в полостях канала 13 и патрубка 23 и перепускает буровой раствор из надпакерной зоны затрубного пространства под тампонажное устройство, благодаря чему исключается поршневой эффект при подъеме тампонажного устройства.

По окончании подъема на высоту h₂ устройство останавливают на время t₀₂ = 90с (вторая остановка /ступень тампонирования/), затем поднимают на последнюю третью ступень высотой h₃ = 2 м и вновь останавливаются на время t₀₃ = 90c, после чего устройство плавно приподнимают над зоной тампонирования и поднимают из скважины.

П р и м е р 2. Подлежащая тампонированию зона осложнения имеет мощность 4 м. Диаметр скважины в зоне осложнения составляет 126 мм при диаметре 93 мм, что свидетельствует о сильной разработке ствола скважины в процессе бурения.

С учетом скважинных условий, а также опытных и теоретических данных задают l = = 1,8 м и t = 55 с, а тампонируемый интервал разбивают на три ступени, задавая высоту первых двух ступеней h₁ = h₂ = 1,4 м и высоту последней ступени h₃ = 1,2 м, а продолжительность остановок на каждой ступени t_o = 60 с.

Для тампонирования используют тампонажное устройство, оснащенное контейнером (фиг. 1). Спуск тампонажного устройства с заправленным контейнером прекращают после установки манжеты 17 на расстоянии h₁ = 1,4 м выше подошвы тампонируемого интервала. После окончания спуска включают буровой насос и вра- щатель бурового станка, после чего пульсатор тампонажного устройства начинает формировать гидравлические импульсы давления в надпоршневой полости 4. Под действием гидравлических импульсов производят импульсное нагнетание тампонажного раствора из контейнера через сливные окна 3 в скважину в течение времени t_o = 60 с. Затем выключают пульсатор и поднимают тампонажное устройство на высоту h₂ = 1,4 м без нагнетания тампонажного раствора в целях исключения его неоправданного расхода на заполнение ствола скважины, имеющего большую разработку. Вновь включают пульсатор на время t_o = 60 с. Затем приподнимают тампонажное устройство на последнюю ступень высотой h₃ = 1,2 м при выключенном пульсаторе и вновь включают последний. По истечении 15 с с начала включения генератора на манометре бурового насоса, питающего пульсатор, падает давление, что свидетельствует об окончании рабочего хода поршня 4 и соответственно об окончании вытеснения тампонажного раствора из контейнера. Продолжительность остановки to в данном случае оказалась значительно короче требуемого значения t_o = 60 с, что указывает на недостаточно высокую надежность изоляции верхнего участка тампонируемого интервала. В связи с этим выполняют повторный рейс тампонажного устройства для изоляции верхнего участка осложненного интервала.

П р и м е р 3. Мощность осложненного интервала составляет 9 м при слабой разработке ствола скважины в зоне указанного интервала. Задают l = 2 м и t = 65 с, а тампонируемый интервал разбивают на пять ступеней с высотой каждой ступени h = 1,8 м и продолжительностью остановок t_o = 70 c.

Для тампонирования используют тампонажное устройство, оснащенное контейнером (фиг. 1). Тампонажное устройство спускают до установки манжеты 17 на расстоянии h = 1,8 м выше подошвы тампонируемого интервала. Затем включают пульсатор и по истечении времени t_o = 70 c приподнимают на вторую ступень высотой h = 1,8 м без остановки импульсного нагнетания тампонажного раствора. Таким же образом выполняют тампонирование на второй и третьей ступенях. В процессе подъема тампонажного устройства с третьей на четвертую ступень при включенном пульсаторе получают сигнал об окончании вытеснения тампонажного раствора из контейнера. Затем выполняют второй рейс тампонажного устройства, при котором спуск последнего прекращают после установки манжеты 17 на расстоянии h = 1,8 м над кровлей затампонированного предыдущим рейсом интервала (т. е. на 1,8 м выше положения манжеты 17, занимаемого ею на третьей ступени предыдущего рейса тампонажного устройства). После этого выполняют в описанном порядке ступенчатое импульсное тампонирование оставшейся части осложненного интервала с подъемом тампонажного устройства на четвертую и пятую ступени.

Предлагаемый способ тампонирования скважин, предусматривающий ступенчатый подъем тампонажного устройства в процессе тампонирования с герметизацией затрубного пространства между сливными 3 и заборными 10 отверстиями и остановками тампонажного устройства, во время которых разобщают скважинное пространство под тампонажным устройством с затрубным пространством скважины путем перекрытия перепускного канала, обеспечивает герметизацию затрубного пространства сверху и снизу от сливных отверстий 3 в процессе импульсного нагнетания тампонажного раствора во время остановок тампонажного устройства. При этом герметизация затрубного пространства выше сливных отверстий 3 с помощью пакера с самоуплотняющейся манжетой 17 исключает проникание тампонажного раствора в заборные отверстия 10 и перепускной канал 9. В соответствии с этим исключается свойственная прототипу возможность закупорки канала 9 тампонажным раствором и связанного с ней поршневого эффекта, вызывающего при использовании способа по прототипу целый ряд негативных последствий (см. раздел, касающийся критики прототипа), снижающих надежность тампонирования скважин и повышающих степень аварийности работ по тампонированию, а также непроизводительные затраты тампонажного раствора. Вместе с тем за счет герметизации затрубного пространства заборными 10 и сливными 3 отверстиями обеспечивается возможность уменьшения расстояния между указанными отверстиями, благодаря чему снижается осевой габарит и вес нижней части устройства, упрощается сборка и разборка последней и уменьшается длина и соответственно гидравлическое сопротивление внутреннего патрубка 7, что способствует уменьшению потерь энергии гидравлических рабочих импульсов, проходящих по патрубку 7, и увеличению амплитуды импульсов давления в тампонируемой зоне скважины, в результате чего увеличивается глубина проникания тампонажного раствора в дефекты горных пород.

В свою очередь герметизация затрубного пространства ниже сливных отверстий 3 посредством обратного клапана и частично подпорным патрубком 23 исключает возможность продвижения тампонажного раствора в указанной зоне затрубного пространства во время остановок тампонажного устройства. Таким образом, при импульсном нагнетании тампонажного раствора во время остановок тампонажного устройства возможность продвижения раствора по затрубному пространству блокируется как вверх, так и вниз от сливных отверстий 3. В результате тампонажный раствор может продвигаться только в направлении тампонируемых трещин, пор и каверн, имеющихся на стволе скважины, что снижает непроизводительные затраты тампонажных материалов. Вместе с тем отмеченная двухсторонняя герметизация затрубного пространства сопровождается ростом рабочей амплитуды импульсов давления в тампонажном растворе, находящемся в загерметизированном затрубном пространстве в зоне сливных отверстий 3, благодаря чему увеличивается глубина проникания тампонажного раствора в дефекты горных пород.

Регистрация момента окончания вытеснения тампонажного раствора из контейнера с фиксацией в указанный момент положения пакера в скважине и продолжительности остановки тампонажного устройства позволяет проводить тампонирование по предлагаемому способу с обеспечением полной (без пропусков) изоляции всего осложненного интервала.

Исключение забивания перепускного канала устройства тампонажным раствором и связанного с ним поршневого эффекта, а также увеличение глубины проникания тампонажного раствора в дефекты горных пород и исключение неполной изоляции осложненного интервала повышает надежность тампонирования осложненных зон скважин и благодаря этому снижает материальные и трудовые затраты на дублирование тампонажных работ. В свою очередь снижение материальных и трудовых затрат обеспечивает снижение стоимости тампонирования скважин, за счет чего может быть получен существенный экономический эффект в условиях широкого внедрения изобретения. (56) Авторское свидетельство СССР N 1816844, по заявке кл. E 21 B 33/132, 1989.

Авторское свидетельство СССР N 1740626, кл. E 21 B 33/132, 1990.

Сущность изобретения: тампонажное устройство (ТУ) спускают в скважину до установки сливного отверстия напротив нижней границы тампонирующего интервала (ТИ) и затем включают пульсатор. Формируемые пульсатором в надпоршневой полости гидравлические импульсы давления передаются через поршень на тампонажный раствор (ТР) в полости и через него на пробку, которая под действием импульсного давления перемещается вниз, что сопровождается срезанием элементов и перемещением ползуна и кожуха вниз вместе с пробкой 2. При этом кожух сходит с манжеты, которая приводится в рабочее положение за счет ее упругих сил. В дальнейшем под действием давления тампонажный раствор совершает импульсное движение из рабочей полости через отверстие в скважину, заполняя трещины, поры и каверны горных пород. После окончания тампонирования интервала h устройство поднимают вверх по стволу скважины, перепуская при этом буровой раствор из затрубного пространства над пакером через канал и отверстие в седле, за счет чего исключается проявление поршневого эффекта. Подъем осуществляют ступенчато, чередуя его с остановками. В целях сокращения расхода тампонажных материалов на время подъема устройства между его остановками могут прекращать нагнетание раствора. С целью повышения надежности тампонирования скважин с помощью устройства, оснащенного контейнером, регистрируют момент окончания вытеснения раствора из контейнера и соответствующие указанному моменту положение пакера и продолжительностью t₀ последней остановки, и в случае, если к моменту окончания вытеснения раствора из контейнера манжета находилась ниже кровли интервала и/или продолжительность t₀ остановки составила t₀<t, выполняют повторный рейс. При тампонировании интервалов большой мощности несколькими рейсами ТУ, оснащенного контейнером, при каждом рейсе регистрируют момент окончания вытеснения ТР из контейнера и соответствующие данному моменту положение пакера в ТИ и продолжительность t₀ последней остановки ТУ, а при выполнении последующего рейса ТУ его спуск прекращают после установки пакера на расстоянии h≅ l над кровлей затампонированного предыдущим рейсом интервала, если продолжительность последней остановки составила t₀≥ t, или после установки пакера на глубине, на которой он находился в момент окончания вытеснения ТР из контейнера при предыдущем рейсе, если продолжительность последней остановки составила t₀<t. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. СПОСОБ ТАМПОНИРОВАНИЯ СКВАЖИН, включающий спуск в скважину тампонажного устройства со сливными отверстиями и продольным перепускным каналом с заборными отверстиями до установки сливных отверстий напротив нижней границы тампонируемого интервала и последующий подъем тампонажного устройства с одновременным импульсным нагнетанием тампонажного раствора в скважину через сливные отверстия тампонажного устройства и перепуском бурового раствора из зоны затрубного пространства скважины, расположенной выше сливных отверстий, в скважинное пространство под тампонажным устройством через перепускной канал последнего, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности тампонирования скважин за счет увеличения глубины проникания тампонажного раствора в трещины горных пород и исключения возможности забивания перепускного канала тампонажным раствором, затрубное пространство между сливными и заборными отверстиями герметизируют пакером, а подъем тампонажного устройства осуществляют ступенчато, чередуя его с остановками, во время которых разобщают скважинное пространство под тампонажным устройством с затрубным пространством скважины путем перекрытия перепускного канала, причем в процессе ступенчатого подъема тампонажного устройства высоту h его подъема на каждой ступени и продолжительность t₀ каждой остановки задают из условий
h ≅ l; t₀ ≥ t,
где l - максимальная мощность (протяженность) интервала скважины, который может быть протампонирован (заизолирован) с достаточной надежностью (с обеспечением проникания тампонажного раствора в дефекты горных пород на заданную глубину) при импульсном нагнетании тампонажного раствора без подъема тампонажного устройства;
t - продолжительность импульсного нагнетания тампонажного раствора в интервал мощностью l до заполнения тампонажным раствором дефектов горных пород (трещин, пор и каверн) в указанном интервале на заданную глубину от стенок ствола скважины, обеспечивающую надежность тампонирования скважины. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью снижения расхода тампонажных материалов, на время подъема тампонажного устройства между его остановками прекращают нагнетание тампонажного раствора. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности тампонирования скважины тампонажным устройством, оснащенным контейнером, регистрируют момент окончания вытеснения тампонажного раствора из контейнера и соответствующие указанному моменту положение пакера в тампонируемом интервале и продолжительность t₀ последней остановки тампонажного устройства и при этом при нахождении пакера ниже кровли тампонируемого интервала в момент окончания вытеснения тампонажного раствора из контейнера и/или при составлении продолжительности t₀ остановки тампонажного устройства меньше t выполняют повторный рецс тампонажного устройства. 4. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что при тампонировании интервалов большой мощности несколькими рейсами тампонажного устройства, оснащенного контейнером, при каждом рейсе регистрируют момент окончания вытеснения тампонажного раствора из контейнера, соответствующие указанному моменту положение пакера в тампонируемом интервале и продолжительность t₀ последней остановки тампонажного устройства, а при выполнении последующего рейса тампонажного устройства его спуск прекращают после установки пакера на расстоянии h ≅ l над кровлей затампонированного предыдущим рейсом интервала, если продолжительность последней остановки составила t₀ ≥ t, или после установки пакера на глубине, на которой он находился в момент окончания вытеснения тампонажного раствора из контейнера при предыдущем рейсе, если продолжительность последней остановки составила t₀ < t.