Устройство для разобщения заколонного пространства при цементировании скважин Советский патент 1993 года по МПК E21B33/14 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при сооружении технологических скважин для подземного выщелачивания руд.

Целью изобретения является повышение надежности разобщения заколонного пространства для предотвращения перетоков цементного раствора в зону фильтра при цементировании.

На фиг. 1 показано устройство при спуске его в скважину и установке в заданном интервале до приведения его в рабочее состояние; на фиг. 2 - устройство при приведении его в рабочее положение; на фиг. 3.- устройство при подаче цементного раствора в заколонное пространство.

На приведенных фиг. 1-3 цифрами обозначены следующие позиции: 1 - скважина, 2 - тканевый рукав. 3 - свободное

пространство нижней секции, 4 - заполненные сыпучим материалом секции, 5 - сыпучий материал, 6 - разрушаемые кольца, 7 - отверстие для подачи цементного раствора, 8 - обратный клапан. 9 - эксплуатационная колонна, 10 - обратный клапан, 11 - отверстия для подачи технической воды, 12 - ниж- няя заделка тканевого рукава, 13 - бурильные трубы, 14 - верхний внутрико- лонный пакер, 15 - нижний внутриколонный пакер, 16 - техническая вода, 17 - цементный раствор, 18 - перфорированные отверстия.

Устройство, размещенное в скважине 1, представляет собой закрепленный на эксплуатационной колонне 9 тканевый рукав 2, разделенный разрушаемыми кольцами б на секции, причем нижняя секция является свободной 3 от сыпучего материала 5. заС

00

Оч

полняющего частично остальные секции. В верхней и нижней секциях эксплуатационная колонная имеет соответственно отверстия 7 для подачи цементного раствора 17 и отверстия 11 для подачи технической воды 16. Отверстия 7 перекрываются обратным клапаном 8, а отверстия 11 - обратным клапаном 10. Все верхние секции 4 заполнены сыпучим материалом 5. В нижней части тканевый рукав имеет неподвижную неразрушаемую заделку 12. Для приведения устройства в рабочее положение (фиг. 2) и подачи цементного раствора (фиг. 3) используется колонна бурильных труб 13, снабженная верхним 14 и нижним 15 внутриколонными пакерами, между которыми в бурильных трубах выполнены перфорированные отверстия 18.

В качестве сыпучего материала выбираются пески различного гранулометрического состава с максимальным коэффициентом неоднородности, причем размер частиц изменяется от 0 до Омакс. Максимальный размер частиц определяется проходимостью частиц в кольцевом пространстве между эксплуатационной колонной и стенками скважины и может соответствовать размеру частиц грубозернистых песков. .

Устройство работает следующим образом.

После спуска устройства, закрепленного на эксплуатационной колонне 9, в задан- ный интервал скважины 1 внутрь эксплуатационной колонны спускаются бурильные трубы 13 с внутриколонными пакерами 14 и 15. Для приведения устройства в рабочее положение бурильные трубы спускаются до глубины, когда перфорированные отверстия 18 будут располагаться в интервале отверстий 11, а пакеры 14 и 15 изолируют эти отверстия от внутриколонно- го пространства ниже пакера 15 и выше пакера 14. После этого по бурильным трубам 13 через отверстия 18 и 11, обратный клапан 10 подается техническая вода 16 в режиме, обеспечивающем псевдосжижение сыпучего материала. Подачи бурового насоса при этом определяется по формуле:

Qn

9 О (Рг -Рш) F

у рп (1400 + 5,22 - 5ЖКЕЖ

РШ

0) где Qn - подача бурового насоса:

g - ускорение свободного падения;

PI, рш - соответственно плотность частиц сыпучего материала и технической во- Ды;

v - кинематическая вязкость технической воды:

F - площадь кольцевого пространства между стенками скважины и эксплуатацион- ной колонной.

Формула (1) получена решением уравнения О.Т.Тодеса для зернистого материала (Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1981, в 2-х книгах, 812 с):

R -Ач Г91 е|ф ПОО + 5,22 VA4 W

где Некр - число Рейнольдса для скорости псевдоожижения зернистого материала; Ач - критерий Архимеда.

С другой стороны, можно записать следующие выражения;

о УП ОБО/„,

Кекр ----у-- ,(JJ

где Vn - скорость псевдоожижения зернистого материала

g DJo РТ -рш v2РШ Из совместного решения уравнений (2), (3) и (4) имеем формулу (5)

Ач

И)

g Оборот -рш}

Vn - -----j--------------,

30v Рш (1400 +5,22 YS LE§ojЈLZЈE)

/

РШ

(5)

Псевдоожижение сыпучего материала сопровождается выносом из него наименее крупных частиц, размер которых можно определить из следующей формулы:

Vn

g D% Qpr -рш)

v -рш (18+0.61 yg D| (А -рш)

РШ

(6)

где DB - максимальный диаметр частиц, выносимый из псевдоожиженного слоя

зернистого материала при скорости

п се вдо ожижения,

Формула (6) получена решением следующего уравнения О.М.Годеса (Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1981, в 2-х книгах, 812 с):

Reb 18+0,61 VWT(7) где Ree - число Рейнольдса для скорости начала выноса частиц из псевдоожиженного слоя.

Т.е. при псевдоожижении слоя зернистого материала в заколонном.пространстве будет происходить сепарация частиц

сыпучего материала. Это приведет к образованию в заколонном пространстве при постепенном снижении подачи бурового насоса с On до 0 столба уложенного сыпучего материала, причем верхний его слой является практически непроницаемый для цементного раствора, так как сложен частицами минимального размера, равного или меньшего размера частиц цемента в цементном растворе.

После формирования моста из сыпучего материала в заколонном пространстве (фиг. 2) прекращением подачи через нижний клапан 10 и отверстия 11 бурильные трубы 13 поднимаются таким образом, чтобы отверстия 7 и обратный клапан 8 располагались между верхним 14 и нижним 15 внутрико- лонными пакерами. При таком положении бурильных труб производится подача цементного раствора 17 в заколонное пространство (фиг. 3).

П р и м е р. В качестве сыпучего материала для заполнения секций тканевого рукава используется смесь с размером частиц от О до 5 мм., при Deo 4 мм. Диаметр скважины DCKB, в интервале установки устройства для разобщения заколонного пространства составляет 200 мм, а диаметр эксплуатационной колонны DK, на участке которой размещено устройство, составляет 110 мм. Кинематическая вязкость воды ,87x10 6 м/с.

Для приведенного случая скорость псевдоожижения составит 0.027 м/с, а максимальный размер выносимых из псевдо- ожиженного слоя частиц Ds 0.23 мм.

Подача бурового насоса для псевдоожижения слоя Зернистого материала составит:

Оп V,,-F- |(DCKRr DK2)Vn

On 0.785(0,22-: 0.112)xO,027 « 0.0006 M5/c 36 л/мин. Технико-экономическая эффективность

от применения заявляемого решения определяется отсутствием сооружения аварийных скважин вследствие перетоков цементного раствора в зону фильтра при цементировании.

Формула изобретения

Устройство для разобщения заколонного пространства при цементировании скважин, содержащее тканевый рукав,

закрепленный на эксплуатационной колонне и разделенный на верхнюю, среднюю и нижнюю секции разрушаемыми промежуточными и верхним крепежными кольцами, верхняя и средняя секции частично заполнены сыпучим материалом, основной обрат- ный клапан, размещенный в верхней секции, нижнюю заделку, закрепленную на эксплуатационной колонне, отличающееся тем, что, с целью повышения нэдежности разобщения, оно снабжено установленным- в нижней секции дополнительным обратным клапаном, при этом в качестве сыпучего материала используют полидисперсную смесь.

фиг.1

Cpuz.t

Фиг.З

Изобретение может быть использовано при сооружении технологических скважин для подземного выщелачивания. Устройство закреплено на эксплуатационной колонне и представляет собой тканевый рукав, разделенный на секции разрушаемыми промежуточными и верхней заделками, с частичным заполнением всех секций, кроме нижней, полидисперсной смесью, которая псевдоожижается технической водой. Последнюю подают через дополнительный обратный клапан, расположенный в нижней секции-устройства, с последующим прекращением подачи воды, после чего в заколон- ном пространстве формируется мост, верхняя часть которого представлена наиболее мелкими, а нижняя часть наиболее крупными частицами сыпучего материала. 3 ил.