Устройство для изоляции зон поглощения Советский патент 1993 года по МПК E21B33/14 

Изобретение относится к строительству нефтяных и газовых скважин, а более конкретно к устройствам для изоляции зон поглощений бурового и тампонажного раствора при проводке скважин в трещиноватых и кавернозных горных породах.

Известно устройство для изоляции зон поглощений, опускаемое в зону поглощения по колонне бурильных труб, включающее корпус с двумя или более боковыми спирально-тангенциальными каналами, соос- ным патрубком и отводной трубкой. Корпус состоит из верхней, средней и нижней частей, причем средняя часть выполнена в виде диффузора, имеющего цилиндрическую верхнюю часть с радиальным отверстием и - коническую нижнюю часть. В нижней части корпуса размещены спирально-тангенциальные каналы с соплами на концах. Соотношение между радиальными размерами

элементов корпуса устройства и взаимное расположение и обвязка патрубка, отводной трубы и радиального отверстия выполнены таким образом, чтобы обеспечить радиальные зазоры между стенками скважины и элементами устройства требуемую степень сепарации тампонажного раствора, достаточный эжекционный эффект и своевременный отвод обедненной цементной суспензии в затрубное пространство выше изолируемой зоны.

Недостатком известного устройства является то, что оно эффективно работает лишь в стволе скважины неизменного поперечного сечения, т.е. не осложненного кавернами (местными уширениями). локальными выступами, сужениями, неровностями и т.д., а также при условии концентричного расположения устройства в стволе скважины. При наличии указанных нарушеVI

00

о о о

00

ний эффективность работы устройства снижается,

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для изоляции зон поглощений промывочной жидкости, содержащее корпус, отводную трубку и патрубок, размещенные в корпусе коаксиально и имеющие выходной канал, сообщающий внутреннюю полость нижнего участкаТбргТуса с внешним пространством, днище с центральным сквозным цилиндрическим отверстием, в котором размещена отводная трубка, спирально-тангенциальные каналы, сообщающие полость корпуса с внешним пространством. Недостатком известного устройства является сложность конструкции, низкое качество изоляции пласта, обусловленное следующими причинами:

1. Тампонажный раствор, выйдя из тангенциальных каналов в каверну большого поперечного размера будет вращаться в ней с гораздо меньшей угловой частотой, что приведет к снижению центробежного Давления, ухудшению процесса расслоения раствора.

2. При выходе тампонажного раствора в каверну, имеющую неправильную геометрическую форму поперечного сечения образуется зона встречных вихрей, что приводит к эжекции жидкости из пласта, разбавлению тампонажного раствора.

3. На участках каверн стенки скважины всегда шероховаты, имеют выступы и впадины значительных геометрических размеров (от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров), что обычно превышает толщину пограничного слоя. По этой причине во вращающемся потоке развивается сильная турбулентность, препятствующая эффективной сепарации тампонажного раствора,

4. В кавернозном интервале скважины бурильная колонна и расположенное на ее нижнем конце устройство почти всегда занимает в скважине Эксцентричное положение, вследствие чего площадь сечения кольцевого пространства между стенками скважины переменна по окружности. Поэтому в устройстве тампонажный раствор в течение одного оборота будет попеременно попадать то в область с большим сечением, то в область с меньшим сечением. Это вызовет развитие пульсационного давления, приведет к снижению разделительного процесса, в конечном счете эффективность изоляции снизится.

Целью изобретения является повышение качества изоляций пластов в кавернозной части ствола скважины и упрощение конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что известное устройство для изоляции зон поглощений промывочной жидкости, содержащее корпус, отводную трубку и патрубок, размещенные в корпусе коаксиально и имеющие выходной канал, сообщающий внутреннюю полость нижнего участка корпуса с

внешним пространством, днище с центральным сквозным цилиндрическим отверстием, в котором размещена отводная трубка, спирально-тангенциальные каналы, сообщающие полость корпуса с внешним

пространством согласно изобретению снабжено цилиндрическим кожухом-юбкой, а корпус выполнен монолитным с верхним и нижним цилиндрическими и средними коническими участками, при этом днище выполнено с верхним цилиндрическим участком, а наружная поверхность днища выполнена конической с уменьшающимся к низу диаметром, причем кожух-юбка установлен концентрично с корпусом и связан с

его средней частью, а спирально-тангенциальные каналы выполнены в верхнем цилиндрическом участке днища над конической поверхностью его.

На фиг. 1 показано предлагаемое устройство; на фиг. 2 - устройство для изоляции; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2.

Устройство для изоляции включает корпус 1, снабженный в верхней части внутренней замковой резьбой для присоединения к

бурильной колонне, а в нижней части имеет днище 2 конической формы для обеспечения размещения отсепарированной, менее плотной части тампонажного раствора ближе к оси устройства. В сквозном централь

ном отверстии днища с верхней стороны

располагается отводная трубка 3, а с нижней стороны патрубок 4. В верхней части днища, прилегающей к корпусу, выполнены спирально-тангенциальные каналы 5, раз5 мещенные равномерно по окружности. Перенос спирально-тангенциальных каналов с нижней части корпуса (в известном варианте) в верхнюю часть днища, имеющего значительно меньшие габаритные размеры

0 (диаметр и длину), существенно облегчает и повышает технологичность изготовления каналов любой (например, прямоугольной) формы, К нижней части корпуса прикреплен цилиндрический кожух 6.

5 Определяющие конструктивные размеры устройства приведены на рис. 2 и 3, где Dt и D2 - соответственно наружный и внутренний диаметры кожуха-юбки;

Оз - диаметр окружности в точке выхода тангенциальных каналов;

D4 - наружный диаметр патрубка;

U - длина кожуха-юбки;

L - длина устройства.

Наиболее важным параметром устройства в смысле обеспечения эффективности процесса сепарации тампонажного раствора является длина кожуха-юбки U, которая выбирается из следующих условий.

Поскольку поток, в том числе и твердая фаза раствора, имеют и радиальную, и осевую составляющие скорости, то необходимо, чтобы за время осевого перемещения потока по длине, равной длине кожуха-юбки, твердая фаза раствора (частицы цемента с размером глобул 30...90 мкм) в процессе центробежного осаждения успела пройти расстояние, равное величине кольцевого зазора R2-R3, т.е. необходимо соблюдение условия

LK Vo

R2-R3

Урц

где v0 и vpu - соответственно, осредненная скорость осевая потока и скорость осаждения частиц цемента в поле центробежных сил. Тогда длина кожуха-юбки из (3) должна быть не менее

(R2-R3)(4)

Урц

Осевая скорость равна

° «()(5)

Приближенно скорость осаждения vpu найдем по формуле Стокса

d2 ., ц РЦ рж s p Q2 fc

VP4 l fO-17-- ) , (6)

18Ц

где du - минимальный диаметр частиц цемента, которые можно отсепарировать в поле центробежных сил (согласно расчетам 3ц-30 мкм);

РЦ и руц - плотность частиц цемента и жидкой фазы соответственно;

/и - динамическая вязкость жидкой фазы;

RKS - средний радиус кольцевого зазора;

Q- средняя угловая частота вращения тампонажного раствора в кольцевом зазоре.

Q КЗ Увых Кз в ,7.

R2 + Rs ( R2 + Rs ) m S {l) Подставив (7) в (6), а далее (6) и (5) в (4) окончательно получим

U

(8)

Так, для скважин диаметром 215,9 мм требуемая величина кожуха-юбки будет равна (размер R, определяется существующим регламентом; R2, Рз, R4, т, S определяются конструктивно; Q определяется возможностями насоса)

U

/ада2-0.071 )2-3( I.-IP)

4ч2

3,14 0,7 (0,084 Z - 0,025 ) (10 3200- 100С

18

0,01

0,347 м Округляем LK до 0,35 м.

Устройство работает следующим образом.

30

50

Устройство опускают в скважину на бурильных трубах в зону поглощения. После

„п этого в колонну закачивают и продавливают тампонажный раствор, который подавлением подается в устройство и через его танген- циальные каналы в кольцевую камеру, образованную стенками корпуса и кожуха,

„,. и закручивается. Благодаря наличию кожуха с гладкой внутренней поверхностью требуемая интенсивность вращения потока тампонажного раствора происходит независимо от кавернозности и шероховатости стенок ствола скважины, обеспечивая центробежную сепарацию тампонажного раствора. Под действием центробежных сил фаза большей плотности и, соответственно, с меньшим водоцементным отношением от„,. брасывается к внутренним стенкам кожуха и образует пристенный слой сгущенного тампонажного раствора, спускающийся по ним по спиральной винтовой траектории к стенкам скважины, а далее поступает в ка.-. налы поглощающего пласта, закупоривает их, одновременно заполняя кавернозные участки ствола скважины. При этом благодаря интенсивному вращению и более концентричному расположению устройства в

.J- кавернозном стволе скважины, густая масса тампонажного раствора подается в поглощающие каналы равномерно по периметру сечения ствола скважины сплошным однородным потоком, где преобладают радиальные и тангенциальные силы, которые обеспечивают приращение давления на стенки скважины в интервале обработки на величину центробежного давления. Это способствует более полному замещению

„ пластового и скважинного флюидов цементным в процессе изоляции, чем достигается создание плотного изоляцио нного экрана исключающего эжектирование скважинноу и пластовой жидкостей с кровли поглощающего пласта и разбавление ею обогащенной

фазы тампонажного раствора. При этом резко снижается отрицательное влияние грави- тационных сил, которые приводят к интенсивному смешению тампонажного раствора скважинной и пластовой жидкостями и разбавлению их при обычных методах изоляции. Более легкая фаза тампонажного раствора, соответственно с большим водоцементным отношением, перемещается во внутренние слои потока и через патрубок, отводную трубку отводится в кольцевое пространство выше зоны тампонирования, а далее к устью скважины. Таким образом, по сравнению с прототи0

пом, в предлагаемом изобретении улучшается качество изоляции пласта в кавернозной части- скважины за счет того, что кожух-юбка позволяет качественно проводить изоляцию независимо от кавернозно- сти, и достигается упрощение конструкции за счет того, что корпус выполнен монолитным из одной части, и увеличивается технологичность изготовления. В конечном счете все это позволит повысить эффективность изоляции зон поглощений промывочной жидкости, снизить затраты времени и материалов.

15

Изобретение предназначено для строительства нефтяных и газовых скважин, а именно для изоляции зон поглощений бурового и тампонажного раствора при проводке скважин в трещиноватых и кавернозных горных породах. Устройство содержит корпус, отводную трубку и патрубок, размещенные коаксиально в корпусе и имеющие выходной канал для сообщения плоскости нижнего участка корпуса с внешним пространством, устройство имеет концентрич- но расположенный кожух-юбку, прикрепленный к нижней части корпуса. Корпус выполнен монолитным, из одной части, с верхним и нижним цилиндрическими и средним коническим участками и днищем с центральным сквозным цилиндрическим отверстием для размещения в нем отводной трубки и патрубка. Устройство имеет спирально-тангенциальные каналы, выполненные на верхнем цилиндрическом участке днища, наружная поверхность которого ниже спирально-тангенциальных каналов, выполнена конической с уменьшающимся книзу диаметром. 3 ил. ел с

Формула изобретения Устройство для изоляции зон поглощений промывочной жидкости, содержащее корпус, отводную трубку и патрубок, размещенные в корпусе коаксиально и имеющие выходной канал, сообщающий внутреннюю полость нижнего участка корпуса с внешним пространством, днище с центральным сквозным цилиндрическим отверстием, в котором размещена отводная трубка, спирально-тангенциальные каналы, сообщающие полость корпуса с внешним пространством, отличающееся тем, что, с целью повышения качества изоляции

Фиг Л

пластов в кавернозной части ствола скважины и упрощения конструкции, оно снабжено цилиндрическим кожухом-юбкой корпус выполнен монолитным с верхним и нижним цилиндрическими и средними коническими участками, при этом днище выполнено с верхним цилиндрическим участком, а наружная поверхность днища конической с уменьшающимся книзу диаметром, причем кожух-юбка установлен концентрично с корпусом и связан с его средней частью, а спирально-тангенциальные каналы выполнены в верхнем цилиндрическом участке днища над конической поверхностью его.

Фиг. 2

Фие.З