тампонажное устройство

Формула изобретения

ТАМПОНАЖНОЕ УСТРОЙСТВО, опускаемое на бурильных трубах, включающее контейнер с поршнем, разделяющим его на надпоршневую и заполненную тампонажным материалом рабочую полость и струйный пульсатор, содержащий верхний переходник с подводящим каналом, гидравлически связанным с полостью бурильной колонны, и корпус со сливными окнами, сопловой полостью, сообщающейся через сливные окна с затрубным пространством, и выходным каналом, сообщающимся с надпоршневой полостью контейнера, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и производительности тампонирования скважин, оно снабжено входным гидравлическим затвором, установленным в верхней части корпуса пульсатора между верхним переходником и сопловой полостью и включающим размещенную коаксиально с зазором в корпусе пульсатора и жестко связанную с ним гильзу и закрепленную в последней в исходном положении фиксатором втулку с осевым каналом, радиальными отверстиями в верхней части и обратным клапаном в нижней части осевого канала, при этом втулка установлена в гильзе с возможностью осевого перемещения и перепуска промывочной жидкости из подводящего канала в сопловую полость в рабочем положении.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к бурению скважин, в частности к устройствам для их тампонирования.

Известно тампонажное устройство, включающее контейнер с поршнем и установленный над контейнером пульсатор [1] .

Однако это устройство может нормально работать только в статическом положении, так как при подъеме устройства в процессе тампонирования возникает так называемый "поршневой эффект", исключающий возможность нормального функционирования устройства.

Известно тампонажное устройство, включающее контейнер с поршнем, установленный над контейнером пульсатор и систему перепуска промывочной жидкости из затрубного пространства под нижнюю часть устройства при его подъеме [2] . Данное устройство исключает поршневой эффект при тампонировании с подъемом устройства по стволу скважины.

Производительность тампонирования скважины при использовании известных устройств снижается в случае тампонирования скважин, имеющих большой статический уровень жидкости. Это связано с большими затратами времени на заполнение промывочной жидкостью бурильной колонны труб. Вместе с тем при использовании тампонажного устройства по прототипу не представляется возможным определить в какой момент после включения бурового насоса необходимо включать вращение бурильной колонны и начать подъем устройства по стволу скважины, в результате чего снижается надежность тампонирования.

Целью изобретения является повышение надежности и производительности тампонирования.

Для этого предлагаемое устройство снабжено входным гидравлическим затвором, установленным в верхней части пульсатора между верхним переходником и сопловой полостью и включающим размещенную коаксиально с зазором в корпусе пульсатора и жестко связанную с ним гильзу и закрепленную в последней в исходном положении фиксатором втулку с осевым каналом, радиальными отверстиями в верхней части и обратным клапаном в нижней части осевого канала, при этом втулка установлена в гильзе с возможностью осевого перемещения и перепуска промывочной жидкости из подводящего канала в сопловую полость в рабочем положении.

На фиг. 1 и 2 схематично изображено предлагаемое тампонажное устройство в момент его транспортировки в скважине; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - входной гидравлический затвор пульсатора в его открытом положении; на фиг. 5 - вариант конструкции радиального фиксатора втулки входного гидравлического затвора; на фиг. 6 - то же, при открытом положении гидравлического затвора.

Тампонажное устройство включает трубчатый контейнер 1 с поршнем 2, разделяющим его на надпоршневую полость 3 и рабочую полость 4, заполненную тампонажным материалом, и струйный пульсатор, установленный над контейнером 1. Нижняя часть контейнера может быть выполнена с возможностью перепуска промывочной жидкости из затрубного пространства под нижний торец тампонажного устройства в случае выполнения тампонирования с подъемом (протяжкой) устройства по стволу скважины. Для этого нижняя часть контейнера выполняется из двух соосных труб 5 и 6 с образованием между ними кольцевого перепускного канала 7, сообщающегося в верхней части с затрубным пространством через заборные отверстия 8 наружной трубы 5 и в нижней части с нижним торцовым отверстием указанной трубы. В нижнем конце внутренней трубы 6 установлена пробка 9 и днище 10. Ниже пробки 9 в трубах 5 и 6 выполнены радиальные сливные отверстия 11, соединенные сливными патрубками 12 с образованием между ними каналов 13 (фиг. 2) для перепуска промывочной жидкости.

Струйный пульсатор содержит верхний переходник 14 с подводящим каналом 15, соединяемый с бурильной колонной, корпус 16 со сливными окнами 17 и сопловой полостью 18, сообщающейся через сливные окна 17 с затрубным пространством, и нижний переходник 19, соединенный с контейнером 1. В сопловой полости 18 размещены питающее сопло 20 с корпусом 21, приемное сопло 22, закрепленное на переходнике 19, и дефлектор 23 с отверстиями 24 и патрубком 25, установленный между соплами 20 и 22. При этом питающее сопло 20 сообщается с подводящим каналом 15 верхнего переходника 14 с помощью патрубка 26, соединенного с корпусом 21 питающего сопла, а приемное сопло 22 - с надпоршневой полостью 3. Корпус 21 питающего сопла 20 соединен с переходником 19 при помощи центрального стержня 27; сопла 20 и 22 установлены соосно друг с другом и эксцентрично относительно оси устройства; патрубок 25 соединен с верхним переходником 14. Верхний конец корпуса 16 пульсатора опирается через подшипник 28 на патрубок 25. Для исключения утечек жидкости по зазору между патрубками 25 и 26 в полость 18 между указанными патрубками установлено уплотнение 29, поджимаемое пружиной 30.

Пульсатор снабжен входным гидравлическим затвором, установленным в его верхней части и включающим корпус 31, в котором размещены коаксиально с зазором гильза 32, закрепленная на корпусе 31, и втулка 33 с осевым каналом и радиальными отверстиями 34 в ее верхней части. Втулка 33 установлена с возможностью осевого перемещения в гильзе 32 и снабжена радиальным фиксатором, удерживающим ее от осевого перемещения в процессе транспортировки устройства. Фиксатор может быть выполнен, например, в виде срезного элемента 35, смонтированного в радиальное отверстие втулки 33 и гильзы 32, или пружинного кольца 36 (фиг. 4) круглого, прямоугольного или иной формы поперечного сечения, внутренняя часть которого входит в наружную кольцевую канавку втулки 33, а наружная - во внутреннюю кольцевую канавку гильзы 32. Входной гидрозатвор пульсатора снабжен обратным клапаном, установленным в нижней части осевого канала втулки 33 с возможностью перепуска через него промывочной жидкости из сопловой полости 18 к подводящему каналу 15 верхнего переходника 14. Обратный клапан может быть выполнен, например, в виде шарика 37, опирающегося на конусное сопло 38, выполненное во втулке 33. Осевое перемещение втулки 33 и шарика 37 ограничивается в необходимых пределах радиальным стержнем (шпилькой, болтом и т. п. ) 39, закрепленным в гильзе 32 и проходящим через отверстия 34 втулки 33. Для ограничения осевого перемещения втулки 33 можно использовать также внешний кольцевой буртик 40 (фиг. 4), выполненный на ее верхнем конце, оставив при этом во втулке 33 радиальный стержень 39, исключающий выпадение шарика 37 из осевого канала втулки 33. В данном варианте штифт (стержень 39) вставляется только во втулку 33 и не закрепляется в гильзе 32. Выполнение втулки 33 с верхним наружным буртиком 40, ограничивающим ее осевое перемещение, позволяет уменьшить длину отверстий 34 на величину осевой длины гильзы 32, что способствует упрощению изготовления указанной втулки.

Радиальный фиксатор втулки 33 выполнен с возможностью ее осевого перемещения при воздействии на нее перепада давления, определяемого выражением H= <P(P_н+H), (1) где Р - перепад давления, действующий на втулку 33 (разница давления, действующего со стороны верхнего и нижнего торцов втулки);

Н - статический уровень жидкости в скважине;

- удельный вес жидкости, заполняющей скважину;

Р_н - номинальное давление нагнетания бурового насоса.

Соответственно осевое усилие, которое необходимо приложить к втулке 33 для ее расфиксации (срезания срезного элемента 35 или выхода пружинного кольца 36 из кольцевой канавки втулки 33) относительно гильзы 32, определяется выражением F= PS, (2) где F - осевое усилие, необходимое для снятия втулки 33 с фиксатора;

Р - определяемый из выражения (1) перепад давления на втулке 33, необходимый для ее снятия с фиксатора, т. е. для расфиксации,

S - торцовая площадь втулки 33, на которую действует перепад давления Р.

С учетом выражения (1) выражение (2) для определения осевого усилия, требуемого для расфиксации втулки 33 в гильзе 32, можно записать в виде HS<F(P_н+H)S. (3)

Устройство может быть также снабжено сигнализатором окончания рабочего хода (не показан) поршня 2, оповещающим бурового мастера об окончании процесса тампонирования.

Тампонажное устройство работает следующим образом.

После заправки рабочей полости 4 контейнера 1 тампонажным раствором устройство опускают в скважину к зоне тампонирования. В процессе спуска устройства шарик 37 поднимается вследствие воздействия на него перепада давления

P_ш= (h_c-h_k), где Р_ш - перепад давления, действующий на шарик 37;

h_c - высота столба жидкости в скважине над пульсатором устройства;

h_к - высота столба жидкости в буровой колонне, на которой подвешено устройство.

При этом буровая колонна заполняется жидкостью, поступающей в нее из скважины через сливные окна 17 в корпусе 16, отверстия 24 в дефлекторе 23, питающее сопло 20, патрубок 26, зазор между шариком 37 и конусным седлом 38 и осевой канал втулки 33. В конце спуска благодаря указанному перепуску жидкости из скважины в буровую колонну уровень жидкости в последней сравнивается с уровнем жидкости в затрубном пространстве скважины.

По окончании спуска устройства к зоне тампонирования включают буровой насос и заливают буровую колонну жидкостью через ее верхний открытый конец. При этом через этот же конец в обратном направлении выпускается воздух, вытесняемый заливаемой жидкостью. В процессе заливки шарик 37 прижимается давлением жидкости к седлу 38, блокируя проход жидкости через осевое отверстие втулки 33. При этом срезной элемент 35 или кольцо 36 удерживает втулку 33 от осевого перемещения до конца заливки колонны жидкостью, поскольку его фиксирующее усилие рассчитано так, что снятие втулки 33 с фиксатора (расфиксация) в соответствии с выражениями (1) и (3) может наступить только при действии на нее перепада давления

P>H или осевого усилия

F>HS, в то время как в процессе заполнения буровой колонны жидкостью на втулку 33 действует перепад давления

PH и осевое усилие

FHS. Здесь знак равенства в обоих выражениях соответствует концу заполнения колонны жидкостью.

По окончании заполнения буровой колонны жидкостью выключают буровой насос и соединяют верхний конец колонны с ведущей штангой бурового станка, после чего вновь включают буровой насос и приводят во вращение буровую колонну, на которой подвешено тампонажное устройство. После включения бурового насоса давление в буровой колонне возрастает и соответственно возрастает до значения H<P(P_н+H) перепад давления на втулке 33, что в соответствии с выражением (1) приводит к расфиксации втулки 33 за счет срезания срезных элементов 35 или выхода пружинного кольца 36 из кольцевой канавки втулки 33 или гильзы 32. Расфиксация втулки 33 сопровождается ее осевым перемещением в гильзе 32, по окончании которого втулка упирается в стержень 39 [или буртиком 40 в верхний торец гильзы 32 (см. фиг. 5)] . После перемещения втулки 33 в нижнее положение и приведения таким образом входного гидравлического затвора пульсатора в открытое положение жидкость поступает под давлением из буровой колонны в питающее сопло 20 через осевое отверстие втулки 33, ее радиальные отверстия 34 и патрубок 26. В результате на выходе сопла 20 в сопловой полости 18 пульсатора формируется мощная турбулентная напорная струя, направленная в сторону приемного сопла 22. Одновременно дефлектор 23 получает вращательное движение от буровой колонны через верхний переходник 14, корпус 31 и соединенный с ним патрубок 25. В процессе вращения дефлектора 23 струя периодически попадает через его отверстия 24 в приемное сопло 22. При каждом попадании струи в сопло 22 на его выходе и соответственно в надпоршневой полости 3 формируется импульс давления, а в периоды, когда струя пересекается дефлектором 23 и не попадает в сопло 22, жидкость, попадающая в полость 18 из сопла 20, сливается из нее через сливные окна 17 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 24 в дефлекторе 23.

Формируемые в надпоршневой полости 3 гидравлические импульсы передаются через поршень 2 тампонажному раствору, находящемуся в рабочей полости 4. Под действием импульсного давления со стороны тампонажного раствора пробка 9 опускается на днище 10, после чего тампонажный раствор совершает импульсное движение через сливные патрубки 12 в кольцевое затрубное пространство скважины, заполняя трещины, поры и каверны, имеющие место в горных породах тампонируемого интервала скважины. Одновременно с вытеснением тампонажного раствора в затрубное пространство тампонажное устройство поднимают по стволу скважины. При этом свободное пространство, образующееся под тампонажным устройством в процессе его подъема, заполняется промывочной жидкостью, которая забирается из затрубного пространства через заборные отверстия 8 трубы 5 и перепускается по кольцевому каналу 7 и через каналы 13 под тампонажное устройство. Благодаря этому исключается эжекция тампонажного раствора из затрубного пространства под тампонажное устройство. Расстояние между заборными отверстиями 8 и сливными патрубками 12 и скорость подъема устройства выбираются из расчета, чтобы за время подъема устройства тампонажный раствор не успел подняться по затрубному пространству до уровня заборных отверстий 8 во избежание их закупорки тампонажным раствором. По окончании вытеснения поршнем 2 тампонажного раствора из контейнера 1 устройство поднимают на поверхность.

Введение в конструкцию устройства входного гидравлического затвора пульсатора, исключающего выход промывочной жидкости из буровой колонны в затрубное пространство через питающее сопло 20 пульсатора в процессе заполнения указанной колонны промывочной жидкостью, обеспечивает быстрое заполнение колонны. В результате существенно снижаются непроизводительные затраты рабочего времени, благодаря чему повышается производительность тампонирования скважин. Исключение слива жидкости через питающее сопло 20 в процессе заполнения буровой колонны снижает также расход рабочей жидкости, используемой для работы пульсатора, а также затраты энергии на привод бурового насоса и его износ. Данные преимущества особенно ощутимы при тампонировании глубоких скважин с большим статическим уровнем жидкости в скважине, доходящим на практике до 1000 - 1500 мм.

Введение гидравлического затвора на входе пульсатора исключает имеющую место в прототипе непредсказуемость момента начала тампонирования скважины, поскольку при наличии указанного затвора момент начала тампонирования однозначно соответствует моменту включения бурового насоса и вращения буровой колонны после ее заполнения промывочной жидкостью. В результате исключается свойственная прототипу возможность преждевременного (до начала наложения на тампонажный раствор гидравлических импульсов) статического вытеснения тампонажного раствора из контейнера под действием гидростатического давления столба жидкости, заливаемой в буровую колонну, или, напротив, позднего (по прошествии некоторого времени после начала подъема устройства) вытеснения тампонажного раствора из контейнера. Благодаря своевременному включению тампонажного устройства в работу повышается надежность тампонирования скважины.