тампонажное устройство

Формула изобретения

1. ТАМПОНАЖНОЕ УСТРОЙСТВО, включающее полый корпус-контейнер с тампонажной смесью и помещенным в нем поршнем, разделяющим полость корпуса-контейнера на надпоршневую и подпоршневую камеры, и генератор гидравлических импульсов, гидравлически связанный с надпоршневой камерой, отличающееся тем, что генератор гидравлических импульсов выполнен в виде электрического разрядника, включающего генератор импульсного тока с зарядным и разрядным контурами и патрубок с рабочей камерой, прикрепленный к верхней части корпуса-контейнера, при этом патрубок содержит верхний обратный клапан для сообщения рабочей камеры с внешним пространством, нижний обратный клапан - для сообщения рабочей камеры с надпоршневой камерой и электроды, установленные друг против друга в верхней части рабочей камеры и электрически связанные с генератором импульсного тока.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочая камера имеет каплевидную форму со сферической поверхностью стенок в верхней части и сопряженной с ней конической поверхностью стенок в нижней части, сужающейся в нижнему обратному клапану.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что разрядный контур размещен в патрубке над рабочей камерой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к бурению скважин и может быть использовано для тампонирования осложненных интервалов скважин при ликвидации поглощений промывочной жидкости, изоляции водопритоков, закреплении неустойчивых стенок ствола скважин и т.п.

Известно тампонажное устройство импульсного действия, содержащее корпус-контейнер, с размещенным в нем тампонажным материалом и зарядом взрывчатого вещества [1]

При использовании данного устройства трудно регулировать энергию импульса давления, формируемого за счет взрыва. При этом возможна как передозировка взрывчатого вещества, приводящая к разрыву пластов в скважинах, вызывающему дополнительные осложнения, так и слабая зарядка взрывчатого вещества, не обеспечивающая эффективную работу устройства. Вместе с тем применение взрывчатых веществ представляет известную опасность для людей, обслуживающих тампонажное устройство.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является тампонажное устройство импульсного действия, включающее полый корпус-контейнер с тампонажной смесью и помещенным в нем поршнем, разделяющим полость корпуса-контейнера на надпоршневую и подпоршневую камеры, и генератор гидравлических импульсов, гидравлически связанный с надпоршневой камерой [2]

При спуске данного устройства в скважину на колонне бурильных труб трудно обеспечить требуемую точность установки устройства в заданном интервале скважины из-за непостоянства длины бурильных свечей, из которых составляется бурильная колонна. Причем с увеличением глубины скважины и соответственно числа бурильных свечей в колонне степень точности установки тампонажного устройства понижается, вследствие чего понижается и эффективность тампонирования осложненного интервала скважины. Точность установки устройства может быть нарушена также в результате возможных ошибок при расчете длины как всей колонны, так и отдельных ее звеньев. Кроме того, спуск и подъем устройства на колонне бурильных труб занимает много времени, что снижает производительность тампонажных работ. Вместе с тем генератор гидравлических импульсов известного устройства имеет достаточно сложную регулировку амплитуды и частоты выходных импульсов давления. Причем указанная регулировка увеличивает продолжительность рабочего цикла устройства и нарушает его непрерывность, что снижает эффективность тампонирования. Кроме того, при работе устройства с его протяжной вверх по стволу скважины мощность тампонируемого интервала ограничивается в пределах, соответствующих высоте подъема ведущей штанги бурового станка, что ограничивает рабочие характеристики устройства.

Цель изобретения повышение эффективности работы устройства за счет использования электрогидравлического эффекта для формирования импульсного давления в надпоршневой камере корпуса-контейнера.

Указанная цель достигается тем, что генератор гидравлических импульсов выполнен в виде электрического разрядника, включающего генератор импульсного тока с зарядным и разрядным контуром и патрубок с рабочей камерой, прикрепленный к верхней части корпуса-контейнера, при этом патрубок содержит верхний обратный клапан для сообщения рабочей камеры с внешним пространством, нижний обратный клапан для сообщения рабочей камеры с надпоршневой камерой и электроды, установленные друг против друга в верхней части рабочей камеры и электрически связанные с генератором импульсного тока.

С целью повышения эффективности работы устройства за счет повышения КПД генератора гидравлических импульсов рабочая камера имеет каплевидную форму со сферической поверхностью стенок в верхней части и сопряженной с ней конической поверхностью стенок в нижней части, сужающейся к нижнему обратному клапану. Вместе с тем с целью повышения эффективности работы и расширения функциональных возможностей устройства за счет снижения индуктивного сопротивления разрядного контура последний размещен в патрубке над рабочей камерой.

Использование в работе предлагаемого тампонажного устройства электрогидравлического эффекта Юткина для создания в надпоршневой камере корпуса-контейнера гидравлических импульсов давления, передаваемых через рабочий поршень на тампонажную смесь позволяет устанавливать тампонажное устройство в зоне тампонирования с высокой точностью за счет спуска указанного устройства на электрокабеле, длина которого в процессе спуска тампонажного устройства, а, следовательно, и глубина погружения последнего в скважину определяется быстро и с высокой точностью простейшими приборами, используемыми при геофизических исследованиях скважин (например при гидрокаротаже). При этом существенно упрощается регулировка величины амплитуды и частоты рабочих импульсов давления на выходе пульсатора. Причем указанная регулировка не требует остановки процесса тампонирования скважины, сохраняя его непрерывность, оказывающую положительное воздействие на указанный процесс. Кроме того, спуск тампонажного устройства на электрокабеле позволяет повысить оперативность проведения тампонажных работ за счет увеличения скорости спуска и подъема тампонажного устройства в скважине. В свою очередь, ускоренный спуск тампонажного устройства позволяет доставлять в зону осложнения эффективно действующие быстросхватывающиеся тампонажные смеси с коротким сроком схватывания, что повышает эффективность тампонирования скважин и в особенности тех интервалов, в которых отмечаются высокие скорости циркуляции пластовой жидкости. Вместе с тем использование электрокабеля для спуска устройства в скважину обеспечивает в процессе тампонирования возможность плавной (без рывков) протяжки (подъема) тампонажного устройства по стволу скважины на малой скорости и позволяет увеличить высоту указанной протяжки, а, следовательно, и мощность интервала скважины, тампонируемого за один рейс тампонажного устройства. Указанные преимущества в комплексе позволяют существенно повысить эффективность работы устройства и соответственно эффективность тампонирования скважин.

На фиг.1 изображено тампонажное устройство в рабочем положении, продольный разрез; на фиг.2 принципиальная схема генератора импульсного тока; на фиг.3 вариант нижней части устройства на фиг.1 при его работе с протяжкой по стволу скважины.

Тампонажное устройство включает полый корпус-контейнер 1 с помещенным в нем поршнем 2, разделяющим полость корпуса-контейнера на надпоршневую камеру 3 и подпоршневую камеру 4, заполненную тампонажной смесью, и установленный над корпусом-контейнером генератор гидравлических импульсов, выполненный в виде электрического разрядника, содержащего патрубок 5, внутри которого размещены разрядная капсула 6 с рабочей камерой 7, верхний обратный клапан 8, сообщающий камеру 7 с внешним (затрубным) пространством через заборный канал 9, и нижний обратный клапан 10, сообщающий камеру 7 с надпоршневой камерой 3. В верхней части камеры 7 установлены друг против друга электроды 11 и 12, подключенные к генератору 13 импульсного тока посредством электропроводки 14, смонтированной в кабеле 15, нижний конец которого крепится наконечником 16 к патрубку 5, а верхний наматывается на барабан лебедки, предназначенный для спуска и подъема тампонажного устройства на кабеле 15. При этом рабочая камера 7 выполнена каплевидной формы со сферической поверхностью 17 стенок в верхней части и сопряженной с ней конической поверхностью 18 стенок в нижней части, сужающейся к нижнему обратному клапану 10.

Генератор 13 импульсного тока включает зарядный контур 19 (фиг.2) и разрядный контур 20. Указанные контуры могут иметь разнообразную принципиальную схему и конструктивное исполнение. В представленном на фиг.2 варианте исполнения зарядный контур 19 содержит высоковольтный трансформатор 21, зарядное сопротивление (токоограничитель) 22 и выпрямитель 23, а зарядный контур 20 включает накопитель энергии в виде батареи 24 высоковольтных импульсных конденсаторов 25 с параллельным соединением, прерыватель 26 тока и высоковольтный коммутатор 27, выполненный, например, в виде шаров или полусфер с регулируемым рабочим зазором и соединенный электропроводкой 14 с электрическим разрядником. Первичная цепь генератора 13 снабжена автотрансформатором 28, служащим для регулировки рабочего напряжения на конденсаторах 25. Поскольку с увеличением глубины погружения тампонажного устройства в скважину и соответственно длины электропроводки 14 возрастает индуктивность разрядного контура 20, в результате чего снижается крутизна фронта и амплитуда формируемых в рабочей камере 7 разрядника импульсов давления и соответственно снижается эффективность работы тампонажного устройства, показанную на фиг. 1 компановку устройства рекомендуется использовать при тампонировании сравнительно неглубоких скважин (например скважин глубиной до 200-300 м). Для повышения эффективности работы устройства за счет снижения индуктивного сопротивления разрядного контура, а также для расширения функциональных возможностей устройства за счет увеличения рабочей глубины погружения в скважину и соответственно обеспечения возможности тампонирования интервалов, залегающих на больших глубинах, разрядный контур 20 целесообразно размещать в верхней части тампонажного устройства внутри патрубка 5 между его верхней крышкой с наконечником 16 и рабочей капсулой 6 электроразрядника. При размещении разрядного контура 20 в патрубке 5 он подключается к поверхностному зарядному контуру 19 электропроводкой 14, вмонтированной в кабель 15. Показанная на фиг. 1 компановка устройства с поверхностным расположением разрядного контура 20 генератора 13 может применяться и для тампонирования глубоких скважин при малом диаметре последних, не позволяющем размещать в тампонажном устройстве конструктивные элементы разрядного контура 20. В последнем случае индуктивные потери мощности, связанные с увеличением длины проводки 14, могут быть компенсированы за счет наращивания мощности зарядного контура 19. При этом следует учитывать, что указанное наращивание сопряжено с возрастанием массы, габаритов и стоимости контура 19.

Низ тампонажного устройства в зависимости от практической необходимости может иметь различное конструктивное исполнение. Например, в случае тампонирования призабойного интервала скважины низ тампонажного устройства может оканчиваться нижним концом корпуса-контейнера 1, выходное отверстие 29 которого закрывается при транспортировке устройства заглушкой 30 (пробкой из дерева, резины и т.п.). При тампонировании удаленных от забоя интервалов поглощения промывочной жидкости, имеющих небольшую (до 3-5 м) мощность, допускающую их изоляцию со статическим (без протяжки по стволу скважины) положением тампонажного устройства в зоне тампонирования, к низу контейнера 1 ниже его выходного отверстия 29, закрываемого заглушкой 30, крепится патрубок 31 со сливными окнами 32 и днищем 33, а к нижнему концу патрубка 31 крепится подпорная труба 34, длина которой превышает мощность тампонируемого интервала. В случае тампонирования как призабойных, так и удаленных от забоя интервалов, имеющих большую (более 5 м) мощность, при которой целесообразно выполнять тампонирование осложненной зоны с протяжкой тампонажного устройства по стволу скважины, к низу контейнера 1 крепится перепускное устройство, включающее (фиг.3) внутреннюю 35 и наружную 35 трубы, расположенные концентрично с образованием кольцевого перепускного канала 37. При этом в верхней части трубы 36 выполнены заборные отверстия 38, а нижний конец трубы 35 закрыт днищем 39, выше которого в трубах 35 и 36 выполнены сливные окна, сообщающиеся друг с другом с помощью сливных патрубков 40. Выше сливных патрубков 40 в трубе 35 выполнено сужение 41 для установки заглушки 30 перед заправкой в контейнер 1 тампонажной смеси. Нижний участок 42 трубы 36, расположенный ниже сливных патрубков, выполняет роль подпорной трубы, а его внутренняя полость 43 сообщается с перепускным каналом 37 через промежутки между патрубками 40. Заборные отверстия 38, перепускной канал 37 и полость 43 сообщают затрубное пространство 44 с пространством 45 скважины под тампонажным устройством. Описанное устройство может быть снабжено пакером, изолирующим тампонируемый интервал и способствующим более эффективному проникновению тампонажной смеси в дефекты горных пород тампонируемого интервала скважины.

Тампонажное устройство работает следующим образом.

На поверхности подпоршневую рабочую камеру 4 корпуса-контейнера 1 заправляют тампонажной смесью, после чего корпус-контейнер с разрядником опускают на электрокабеле 15 к зоне тампонирования. В процессе спуска воздух, находящийся в надпоршневой камере 3 корпуса-контейнера и в рабочей камере 7 разрядника, замещается скважинной жидкостью, поступающей по каналу 9 и через обратный клапан 8 в камеру 7 и из последней в камеру 3 через обратный клапан 10. Спуск прекращают после установки низа контейнера на уровне верхней границы осложненного интервала в случае тампонирования интервалов небольшой мощности, когда низ контейнера оканчивается выходным отверстием 29, заглушенным пробкой 30 (при тампонировании призабойных интервалов) или снабжается подпорной трубой 34 (при тампонировании удаленных от забоя интервалов). В случае тампонирования интервалов большой мощности (как призабойных, так и удаленных от забоя), когда низ контейнера 1 оснащен перепускным устройством (фиг.3), спуск прекращают после установки сливных окон трубы 35 на уровне нижней границы осложненного интервала. По окончании спуска устанавливают необходимую величину напряжения и емкости разрядного контура 20, определяющую мощность вырабатываемых разрядником гидравлических импульсов в камере 7 капсулы 6. При этом напряжение разрядного контура 20 регулируется в необходимых пределах автотрансформатором 28, а емкость путем включения в рабочую цепь контура 20 необходимого количества конденсаторов 25. Кроме того, устанавливают также требуемую величину числа оборотов привода прерывателя 26, определяющую частоту указанных импульсов, и настраивают коммутатор 27 для получения требуемой крутизны и длины подаваемых на рабочие электроды 11 и 12 электрических импульсов и соответственно крутизну и продолжительность гидравлических импульсов давления, формируемых в камере 7 разрядника (указанная настройка может осуществляться, например, путем регулировки величины воздушного зазора между шарами или полусферами коммутатора 27). В случае размещения разрядного контура 20 в патрубке 5 настройку емкости указанного контура, а также настройку коммутатора 27 и установку числа оборотов прерывателя 26 осуществляют до спуска тампонажного устройства в скважину.

После выполнения указанных регулировок включают генератор 13. При этом электрическая цепь разрядного контура 20 периодически разъединяется и соединяется прерывателем 26. При разъединении указанной цепи батарея 24 конденсаторов 25 заряжается через выпрямитель 23 и ограничительное сопротивление 22 до рабочего напряжения, а при ее соединении срабатывает высоковольтный коммутатор 27 и накопленная в конденсаторах 25 электрическая энергия подается в виде импульса тока высокого напряжения по электропроводке 14 на рабочие электроды 11 и 12 разрядника. В результате между электродами 11 и 12 происходит электрический разряд, при котором подводимая к разряднику электроэнергия преобразуется в камере 7 в механическую энергию импульсного давления, носящего характер гидроудара, вследствие быстротечности электрического разряда. Формируемое электрическим разрядом импульсное давление распространяется по камере 7 разрядника и через обратный клапан 10 передается в надпоршневую камеру 3 контейнера. При этом каплевидная форма внутренней поверхности капсулы 6 способствует передаче механической энергии импульсного давления из камеры 7 в камеру 3 с наименьшими потерями, за счет чего повышается КПД генератора гидравлических импульсов и устройства в целом. После окончания разряда вокруг рабочих электродов 1 и 12 образуется зона разряжения. При этом обратный клапан 10 закрывается, а обратный клапан 8 открывается и в зону разряжения поступает скважинная жидкость через заборный канал 9 и обратный клапан 8. После возрастания давления в камере 7 до уровня давления в затрубном пространстве скважины обратный клапан 8 закрывается. При последующих разрядах между электродами 11 и 12 описанный процесс повторяется.

Формируемые в надпоршневой камере 3 импульсы давления передаются через рабочий поршень 2 на тампонажный раствор, находящийся в полости 4. Под действием импульсного давления тампонажный раствор выбивает из отверстия 29 (фиг. 1) или из сужения 41 (фиг.3) заглушку 30, падающую на днище 33 (фиг.1) или на днище 39 (фиг.3), после чего совершает импульсное движение через сливные окна 32 (фиг. 1) или сливные патрубки 40 (фиг.3) в затрубное пространство скважины, заполняя трещины, поры и каверны горных пород в осложненном интервале. В процессе тампонирования интервалов малой мощности устройство находится в статическом положении (фиг.1), а в процессе тампонирования интервалов большой мощности его плавно перемещают вверх по стволу скважины (фиг. 3), перепус-кая жидкость из затрубного пространства 44 по внутреннему перепускному каналу 37 в пространство 45 под нижним торцом устройства, благодаря чему исключается поршневой эффект при подъеме устройства и связанные с ним негативные последствия (ослабление амплитуды и жесткости импульсов давления, воздействующих на тампонажный раствор в затрубном пространстве; "затяжки" тампонажного устройства и эжекция тампонажного раствора под тампонажное устройство, обуславливающая непроизводительные затраты тампонажных материалов, снижающие надежность и эффективность тампонирования).

При необходимости регулировки параметров импульсного давления в надпоршневой камере 3 в процессе тампонирования указанная регулировка может выполняться без остановки процесса путем регулировки автотрансформатора 28 и числа оборотов привода прерывателя 26, а также путем включения и отключения части конденсаторов 25 в батарее 24. По окончании тампонирования выключают генератор 13 и устройство вначале плавно, а затем в обычном порядке поднимают из скважины.