Тампонажное устройство Советский патент 1984 года по МПК E21B33/13 E21B27/02 

Изобретение относится к бурению скважин, а именно к устройствам для их тaмпoниpoвkния. Известно тампонажное устройство, содержащее контейнер с тампонажным материалом, поршень, установленный внутри контейнера и разделяющий его на порщневую и рабочую полости, и механический импульсный привод поршня 1. Недостатками этого устройства являются его сложность, а также невозможность применения в глубоких скважинах и скважинах малого диаметр Наиболее близким к предлагаемому является тампонажное устройство, включающее корпус с верхним переходником, контейнер, верхний пакер и рабочий поршень, разделяющий внутрен ный объем контейнера на надпорщневую полость и рабочую полость со сливным отверстиями, перекрываемыми затвором и пульсатор, содержащий нижний переходник с установленным в нем приемным соплом, соединенным надпоршневой полостью контейнера, и питающее сопло с подводящим каналом, установленное с возможностью вращения относительно приемного соплаC2J, Однако известное устройство позволяет изолировать и тампонироват только призабойные интервалы скважин и не обеспечивает надежную герметизацию и тампонирование удаленных от забоя участков скважин, поскольку в нем пакер и затвор сливных отверстий контейнера приводятся в рабочее положение путем упора устройства в забой скважины. Кроме того, пакерующий элемент устройства ненадежен в работе при приложении к нему крутяще момента в случае тампонирования удаленных от забоя интервалов скважин, так как имеет недостаточно высокое сцепление со стенками скважины, допускающее возможность проворота устройства, и недостаточно высокую жесткость (устойчивать) на скручивание, допускающую возможност деформации пакерутощих элементов снижающую надежность изоляции тампонируемого участка скважины и, соответственно, надежность работы устройства. Вместе с тем, при тампонир вании слабоустойчивых интервалов скважин с наличием дробленных, рыхльтх и мягких пород используемый в известном устройстве пакерующий эле932мент может вызвать такое опасное для дальнейшей проводки скважины последствие как защемление (прихват) устройства в скважине вследствие поршневого эффекта, проявляющегося при возвращениипакерующего элемента в исходное положение после окончания тампонирования и сопровождающегося отделением частиц и кусочков породы от стенок скважины и их попаданием в зазор между устройством и стенками скважины, что и может послужить причиной прихвата устройства при его подъеме на поверхность. Кроме того, наличие отдельных узлов фиксатора приемного узла и пакера контейнера усложняет конструкцию устройства. Цель изобретения - повышение надежности тампонирования участков скважины, удаленных от забоя. Поставленная цель достигается тем, что тампонажное устройство, включающее корпус с верхним переходником, контейнер, верхний пакер и рабочий поршень, разделяющий внутренний объем контейнера на надпоршневую полость и рабочую полость со сливными отверстиями, перекрываемыми затвором, и пульсатор, содержащий нижний переходник с установленным в нем приемным соплом, соединенным с надпорщневой полостью контейнера, и питающее сопло с подводящим каналом, установленное с возможностью вращения относительно приемного сопла, снабжено нижним пакером, помещенным под контейнером и взаимодействующим с затвором, нижний переходник пульсатора выполнен с цилиндрической полостью, связанной с подводящим каналом, а верхний пакер выполнен в виде поршня, нижняя часть которого связана с затвором, а верхняя часть помеп1ена в цилиндрическую полость, причем уплотнительные элементы верхнего пакера установлены между поршнем и верхним переходником контейнера, связанного с нижним переходником пуль- сатора элементами, свободно проходящими через поршень. Кроме того, поршень верхнего пакера выполнен с радиальным фиксатором в виде подпружиненного поршня со штоком, гидравлически связанного с подводящим каналом. Верхний и нижний пакеры выполнены в виде набора уплотнительных элемен31

тов, разделенных жесткими прокладками.

При этом верхний пакер выполнен в виде радиально расположенного элемента, помещенного в нижней части контейнера.

На фиг. 1 изображено предлагаемое тампонажное устройство, общий вид; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1 Сузел фиксатора двухступенчатого поршня в рабочем положении); на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 1 (на фиг. 1 и 3 левые части проекций соответствуют исходному положению устройства, а правые части проекций - его рабочему положению в скважине).

Тампонажное устройство включает контейнер и импульсный привод. Контейнер включает корпус с верхним переходником 1, наружную трубу 2с днищем 3 и сливными отверстиями 4 и затвор Сзапорный орган), перекрывающий сливные отверстия 4 при транспортировке устройства и выполненньй, например, в виде внутренней трубы 5 с днищем 6 и окнами 7, помещенной в трубу 2.

Труба-затвор 5 фиксируется при транспортировке устройства при помощи пружины 8 в положении, при котором сливные отверстия 4 трубы 1 перекрываются перемычками трубы 5. В последней размещен рабочий поршень 9, разделяющий внутренний объем контейнера на надпоршневую полость 10 и рабочую полость 11, заполняемую тампонажным материалом. Рабочий поршень 9 снабжен цилиндрическим защитным патрубком 12, исключающим возможность проникновения рабочей жидкости из надпоршневой полости 10 в тампонажный раствор через отверстия 4 и 7 при движении поршня 9 вниз в процессе тампонирования. Затвор 5 снабжен приводйым поршнем 13, предназначенным для перемещения затвора в нижнее рабочее положение и служащим одновременно верхней крьшкой надпоршневой полости 10. Для обеспечения герметизации тампонируемого интервала скважины контейнер снабжен верхним и нижним паке--, рами.

Импульсный привод выполнен в виде струйного пульсатора, содержащего корпус 14 со сливными отверстиями 15, питающее сопло 16 с подводящим ка налом 17, подсоединяемое верхним переходником 18 к колонне бурильных труб.

93

подключенной к буровому насосу (или компрессору), приемное сопло 19, соединенное нижним переходником 20 с корпусом.14 и гидравлически связанное с помощью патрубка 21 с надпоршневой полостью 10 контейнера, а также подшипник 22, служащий для разобщения вращающегося питающего сопла 16 и неподвижного приемного сопла 19. Последнее снабжено радиальным фиксатором, препятствующим повороту сопла 19 в процессе вращения питающего сопла 16 и выполненным с возможностью фиксации приемного сопла 19 относительно стенок ствола скважины.

Для упрощения конструкции в предлагаемом ,устройстве фиксатор приемного сопла 19 конструктивно совмещен с верхним пакером (или обоими пакерами) контейнера. Поскольку вес заряженного контейнера сравнительно мал (обычно не превьш1ает 80-120 кг), то при наличии подшипника 22, воспринимающего осевую нагрузку от контейнера, момент трения (пакеров) о сгенки ствола скважины всегда в несколько раз превьш1ает момент (силы) трения в подшипнике 22, что гарантирует надежную фиксацию сопла 19 и обеспечивает возможность использования пакера (пакеров) в качестве фиксатора приемного сопла пульсатора.

Верхний пакер контейнера выполнен в виде поршня 23, совмещенного с поршнем 13 затвора 5, при этом верхняя ступень поршня, имеющая больший диаметр, входит в вьшолненную в нижнем переходнике 20 пульсатора цилиндрическую полость 24, соединенную патрубком 25 с подводящим каналом 17, а нижняя ступень снабжена набором кольцевых упругих уплотнительных элементов 26, разделенных жесткими прокладками 27. Набор уплотнительных элементов 26 размещен между верхней ступенью поршня и верхним переходником 1 контейнера, соединенным с нижним переходником 20 пульсатора с помощью стержневых элементов 28, проходящих через двухступенчатый поршень 23. Величина минимального хода последнего задается в пределах, обеспечивающих возможность полного открытия сливных отверстий 4 контейнера при наименьшем возможном диаметре скважины в зоне тампонирования. Указанный .минимальный ход обеспечи$1вается подбором количества, материала и геометрических размеров упруги элементов 26 в пакере. Для обеспечения удержания затвора 5 и уплотнительных элементов 26 пакера в рабочем положении при воздействии на нижний-торец поршня 13 пульсирующего давления со стороны надпоршневой полости 10, способного совместно с пружиной 8 привестизатвор 5 и упругие элементы 26 в колебательное движение, препятствующее нормальной работе устройства, двухступенчатый поршень 23 снабжен по меньшей мере одним радиальным гидрав лическим фиксатором, размещенным в верхней ступени портйня и выполненным в виде поршня (мембраны, силыЬона, шарика и т.п. силового элемента) 29, соединенного каналом 30 с полостью 2 нижнего переходника 20 пульсатора. Поршень 29 снабжен возвратной пружиной 31 и выдвижным штоком 32, которы в рабочем положении фиксатора выдвигается из поршня 23 и опирается на нижний торец цилиндра 33 (фиг. 2), в который входит верхняя ступень пор ня 23. Пружинная полость фиксатора сообщается с затрубным пространством скважины, а конец штока 32 может быть ocTpbJM или снабжен наконечником с шипами для обеспечения дополнитель ной фиксации поршня 23 и приемного сопла 19 за счет упора щтока (штоков 32 в стенки скважины. Нижний пакер контейнера может быт выполнен аналогично верхнему пакеру в виде набора кольцевых упругих уплотнительных элементов 34, разделенных жесткими прокладками 35. Набор уплотнительных элементов 34 размещен на нижней ступени двухступенчатого цилиндрического корпуса 36 между верхней ступенью корпуса, жестко сое диненной: с днищем 6 затвора 5, и нижним днищем 37, соединенньад с днищем 3 контейнера с помощью стержневь элементов 38, проходящих через корпус 36 нижнего пакера. Вместе с тем, нижний пакер может быть выполнен в виде размещенной в нижней части трубы 2 радиально распорной пробки (из дерева, резины, пластмассы и др. поддающегося разбуриванию материала) с пружинным радиально раздвижным элементом, которая при переводе устройства в рабочее положение выталки.вается взаимодействующей с ней нижне 3 частью затвора 5 из трубы 2 в скважину, где с помощью пружинного элемента или собственных упругих сил раздвигается в радиальном направлении, перекрывая зазор между нижней частью контейнера и стенками скважины или все сечения скважины. После тампонирования пробка разбуривается при последующем рейсе бурового снаряда. Тампонажное устройство работает следующим образоц. Рабочая полость 11 контейнера заправляется на поверхности тампонажным раствором, после чего тампонажный снаряд.крепится верхним переходником 18 к колонне спускных труб и опускается вместе с ней в скважину в зоне тампонирования. При достижении снарядом зоны тампонирования спуск прекращают, включают буровой насос и приводят во вращение питающую колонну. Давление нагнетаемой буровым насосом жидкости передается по патрубку 25 из питающей колонны в поршневую полость 24 и приводит контейнер в рабочее положение. Воздействуя на поршень 23, давление жидкости опускает зптвор 5, что сопровождается открытием сливньк отверстий 4 контейнера в результате их совмещения с окнами 7 затвора 5; одновременно перемещение поршня 23 вниз вызывает радиальноосевую деформацию уплотнительных элементов 26 и 34, в результате которой элементы 26 и 34 прижимаются к стенкам скважины, используя ее тампонируемый интервал. Одновременно с этим упругие элементы 26 прижимаются своей внутренней цилиндрической поверхностью к нижней Ступени поршня 23, обеспечивая фиксацию приемного сопла 19 через поршень 23, стержневые элементы 28 и нижний переходник 20 пульсатора. При использовании в качестве нижнего пакера радиально распорной пробки, помещенной в нижней части трубы 1 контейнера, нижний пакер приводится в рабочее положение путем выдавливания указанной пробки из трубы 2 в скважину, где с помощью вмонтированного в пробку пружинного радиально раздвижного элемента или за счет собственных упругих сил (при выполнении пробки из упругого материала, например из резины, синтетического эластомера и т.п.) раздвигается в радиальном направлении, перекрывая зазор между нижней частью контейнера н стенками скважины или все сечешш скважины. В конце хода двухступенчатого поршня 23 вниз шток 32 фиксатора опускается ниже торца цилиндра 33 и под действием давления жидкости преодолевающего сопротивление пружины 31 фиксатора, выдвигается поршнем 29 из двухступенчатого поршня 23 и опирается при этом на нижний торец цилиндра 33. Кроме того, шток 32 своим концом может упираться в стенку скважины, что обеспечивает дополнительную фиксацию поршня 23 в нижнем положении и дополнительную фиксацию приемного сопла 19 от проворота. В процессе вращения питающего сопла 16 формируемая им напорная струя периодически (при каждом обороте) сообщается с приемным соплом 19, создавая в нем рабочие импульсы давленйя, которые попатрубку 21 передаются на надпоршневую полость 10 контейнера, где сообщают рабочему поршню 9.импульсное движение вниз. При этом тампонажный раствор под воздействием

пульсирующего давления со стороны поршня 9 вытесняется последним из рабочей полости 11 контейнера в зону тампонирования, заполняя трещины, поры и каверны скважины, причем про-цесс заполнения носит пульсирующий характер, соответствующий пульсирующему движению поршневого вытеснителя 9. После окончания тампонирования вращение колонны и подачу рабочей жидкости прекращают. При этом давление в поршневой полости 24 падает, вследствие чего поршни 29 со штоками 32 с помощью пружин 31 возвращаются в исходное положение, в результате чего затвор 5 освобождается от осево фиксации и при помощи пружины 8 и упругих сил пакерующих элементов 26 и 34 поднимаете в исходное положени Вместе с затвором 5 возвращаются в исходное положение поршень 23 и пакерующие элементы 26 и 34. После этого снаряд поднимается на поверхность или, при необходимости, приподнимается над затампонированным участком и вновь приводится в рабочее положение для последующего тампонирования нового участка ствола скважины при наличии резерва тампонажного материала в контейнере. Рабочий объем последнего может быть расчитан на тампонирование нескольких участков ствола скважины без подъема и перезарядки 11

возможность деформации пакерующих элементов, что повышает надежность работы устройства. Кроме того, надежность работы устройства повьш1ается также благодаря тому, что при использовании указанных пакеров исключается свойственная прототипу возможность прихвата устройства в скважине слабоустойчивых интервалов скважин с наличием дробленных, рыхлых и мягких пород в связи с тем, что перемещение кольцевых пакерующих элементов от стенок скважины в исходное положение, не сопровождается свойственным пакеру прототипа поршневым эффектом, вызывающим отделение (вывал) частиц и кусочков пород из стенок скважины и их попадание .в зазор между устройством и стенками скважины, приводящее к прихвату устройства в скважине, создающему аварийную обстановку. Вместе с тем, совмещение фиксатора приемного сопла с пакером контейнера позволяет упростить конструкцию устройства. Экономический эффект от применения предлагаемого устройства получается путем исключения возведения искусственных забоев в скважинах и связанных с этим 38 снаряда, благодаря чему сушостшмих-) повьпиается производительность IVIMIMнирования скважин. Предлагаемое изобретение но-.чвчлпст повысить надежность работы устройства при тампонировании удаленн1,1х от забоя участков скважины за счет обеспечения возможности фиксации приемного сопла пульсатора относительно стенок ствола скважины и за счет использования пакеров с набором кольцевых пакерующих элементов, снабженных поршневым приводом, обеспечивающим одновременно радиально-осевую деформацию указанных элементов и перемещение затвора сливных отверстий контейнера в рабочее положение. Испольчуемые в устройстве пакеры с радиальноосевой деформацией уплотнительньгх кольцевых элементов имеют достаточно высокое сцепление со стенками скважины, исключающее возможность их проворота вместе с приемным соплом пульсатора, и высокую жесткость (устойчивость) на скручивание, исключающую 5S дополнительньрс материальных затрат, а также путем снижения уровня апарийности и повышения производительнести тампонажных работ в скважинах.

/7

- :-jr.-5

Фи1.1

1. ТАМПОНАЖНОЕ УСТРОЙСТВО, включающее корпус с верхним переходником, контейнер, верхний пакер и рабочий Поршень, разделяющий внутренний объем контейнера на надпоршневую полость и рабочую полость со сливными отверстиями, перекрываемыми затвором, и пульсатор, содержащий нижний переходник с установленным в нем приемным соплом, соединенным с надпоршневой полостью контейнера, и питающее сопло с подводящим каналом, установленное с возможностью вращения относительно приемного сопла, о тличающееся тем, чта, с целью повьпвения надежности тампонирования участков скважины, удаленных от забоя, оно снабжено нижним пакером, помещенным под контейнером и взаимодействующим с затвором, нижний переходник пульсатора выполнен с цилиндрической полостью, связанной с подводящим каналом, а верхний пакер выполнен в виде поршня, HIiжняя часть которого связана с затвором, а верхняя часть помещена в цилиндрическую полость, причем уплотнительные элементы верхнего пакера установлены между поршнем и верхним переходником контейнера, связанного с нижним переходником пульсатора элементами, свободно проходящими через поршень. § 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что поршень верхнего пакера выполнен с радиальньм фиксатором в виде подпружиненного поршня со штоком, гидравлически связанного с подводящим каналом. 3.Устройство по п. 1, о т л . чающееся тем, что верхний и аюА. нижний пакеры выполнены в В1вде набора ю уплотнительньтх элементов, разделенных яяиЛ. жесткими прокладками. 00 4.Устройство по п. 1, отличающее ся тем, что верхний оэ пакер выполнен в виде радиально расположенного элемента, помещенного в нижней части контейнера.