Тампонажное устройство

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК а) ш 393 З 15 В Е 21 В 33/13 К АВТОРСКОМУ ИДЕТЕЛЬС ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Всесоюзный научно-исследовательский геологоразведочный институт угольных месторождений(56) 1. Авторское свидетельство СССР В 90636, кл. Е 21 В 33/14, 1960.2. Авторское свидетельство СССР У 901475, кл. Е 21 В 33/14, 1980 (прототип).(54) (57) 1, ТАМПОНАЖНОЕ УСТРОЙСТВО,включающее корпус с верхним переходником, контейнер, верхний пакер ирабочий поршень, разделяющий внутренний объем контейнера на надпоршневуюполость и рабочую полость со сливными отверстиями, перекрываемыми затвором, и пульсатор, содержащий нижнийпереходник с установленным в немприемным соплом, соединенным с надпоршневой полостью контейнера, ипитающее сопло с подводящим каналом,установленное с воэможностью вращенияотносительно приемного сопла, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что., сцелью повышения надежности тампонирования участков скважины, уддаленных от забоя, оно снабжено нижним пакером, помещенным под контейнером ивзаимодействующим с затвором, нижнийпереходник пульсатора выполнен сцилиндрической полостью, связаннойс подводящим каналом, а верхний пакервыполнен в виде поршня, нижняя частькоторого связана с затвором, а верхняя часть помещена в цилиндрическуюполость, причем уплотнительные элементы верхнего пакера установлены между поршнем и верхним переходникомконтейнера, связанного с нижним перехоцником пульсатора элементами,свободно проходящими через поршень,2. Устройство по и. 1, о т л и- вФч а ю щ е е с я тем, что поршеньверхнего пакера выполнен с радиальнымФиксатором в виде подпружиненного Сфпоршня со штоком, гидравлически связанного с подводящим каналом.3. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что верхний инижний пакеры выполнены в виде набора неффуплотнительных элементов, разделенныхжесткими прокладками. )маей4. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что верхнийпакер выполнен в виде радиально расположенного элемента, помещенногов нижней части контейнера.1 О Изобретение относится к бурениюскважин, а именно к устройствам дляих тампонирования.Известно тампонажное устройство,содержащее контейнер с тампонажным 5материалом, поршень, установленныйвнутри контейнера и разделяющий егона поршневую и рабочую полости, имеханический импульсный привод поршня 1,Недостатками этого устройстваявляются его сложность, а также невозможность применения в глубокихскважинах и скважинах малого диаметра.Наиболее близким к предлагаемомуявляется тампонажное устройство,включающее корпус с верхним переходником, контейнер, верхний пакер ирабочий поршень, разделяющий внутренный объем контейнера на надпоршневую 20полость и рабочую полость со сливнымиотверстиями, перекрываемыми затвором,и пульсатор, содержащий нижний переходник с установленным в нем приемным соплом, соединенным надпоршневойполостью контейнера, и питающее сопло с подводящим каналом, установлен"ное с возможностью вращения относительно приемного сопла 23,Однако известное устройство ЗОпозволяет изолировать и тампонироватьтолько призабойные интервалы скважини не обеспечивает надежную герметизацию и тампонирование удаленныхот забоя участков скважин, поскольку З 5в нем пакер и затвор сливных отверстий контейнера приводятся в рабочееположение путем упора устройства взабой скважины. Кроме того, пакерующий элемент устройства ненадежен в 40работе при приложении к нему крутящегомомента в случае тампонированияудаленных от забоя интервалов скважин, так как имеет недостаточновысокое сцепление со стенками скважины, допускающее возможность проворота устройства, и недостаточно высокую жесткость (устойчивать) наскручивание, допускающую возможностьдеформации пакерующих элементов 50снижающую надежность изоляции тампонируемого участка скважины и, соответственно, надежность работы устройства, Вместе с тем, при тампонировании слабоустойчивых интервалов 55скважин с наличием дробленных, рыхлых и мягких пород используемый визвестном устройстве пакерующий элемент может вызвать такое опасное длядальнейшей проводки скважины последствие как защемление (прихват) устройства в скважине вследствие поршневого эффекта, проявляющегося привозвращении пакерующего элемента висходное положение после окончаниятампонирования и сопровождающегосяотделением частиц и кусочков породыот стенок скважины и их попаданиемв зазор между устройством и стенкамискважины, что и может послужить причиной прихвата устройства при егоподъеме на поверхность. Кроме того,наличие отдельных узлов фиксатораприемного узла и пакера контейнераусложняет конструкцию устройства.3 Цель изобретения - повышение надежности тампонирования участковскважины, удаленных от забоя.Поставленная цель достигаетсятем, что тампонажное устройство,включающее корпус с верхним переходником, контейнер, верхний пакер ирабочий поршень, разделяющий внутренний объем контейнера на надпоршневуюполость и рабочую полость со сливными отверстиями, перекрываемыми затвором, и пульсатор, содержащий нижнийпереходник с установленным в немприемным соплом, соединенным с надпоршневой полостью контейнера,питающее сопло с подводящим каналом,установленное с возможностью вращенияотносительно приемного сопла, снабжено нижним пакером, помещенным подконтейнером и взаимодействующим сзатвором, нижний переходник пульсатора выполнен с цилиндрической полостью, связанной с подводящим каналом,а верхний пакер выполнен в виде поршня, нижняя часть которого связана сзатвором, а верхняя часть помещенав цилиндрическую полость, причемуплотнительные элементы верхнегопакера установлены между поршнем иверхним переходником контейнера, связанного с нижним переходником пульсатора элементами, свободно проходящими через поршень,Кроме того, поршень верхнего пакера выполнен с радиальным фиксатором в виде подпружиненного поршнясо штоком, гидравлически связанногос подводящим каналом,Верхний и нижний пакеры выполненыв виде набора уплотнительных элемен11213 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 1 на Фиг, 1 (узел 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 2 с днищем 3 и сливными отверстиями 4 и затвор (запорный орган), перекрывающий сливные отверстия 4 при транспортировке устройства и выполненный, например, в виде внутреннеи трубы 5О 25 с днищем 6 и окнами 7, помещенной в трубу 2.Труба-затвор 5 фиксируется при транспортировке устройства при помощи пружины 8 в положении, при которомЗО 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 по лость 11, заполняемую тампонажным материалом. Рабочий поршень 9 снабжен цилиндрическим защитным патрубком 12, исключающим возможность проникновения рабочей жидкости из надпоршневой 40 полости 10 в тампонажный раствор через отверстия 4 и 7 при движении поршня 9 вниз в процессе тампонирования. Затвор 5 снабжен приводным поршнем 13, предназначенным для пере мещения затвора в нижнее рабочее положение и служащим одновременно верхней крышкой надпоршневой полости 10. Для обеспечения герметизации тампонируемого интервала скважины контей- б 0 нер снабжен верхним и нижним паке, рами.Импульсный привод выполнен в виде струйного пульсатора, содержащего корпус 14 со сливными отверстиями 15,55 питающее сопло 16 с подводящим каналом 17, подсоединяемое верхним переходником 18 к колонне бурильных труб,93 4подключенной к буровому н ас Рс у ( иликомпрессору), приемное сопло 19,соединенное нижним переходником 20с корпусом 14 и гидравлически связанное с помощью патрубка 21 с надпоршневой полостью 10 контейнера, атакже подшипник 22, служащий дляразобщения вращающегося питающегосопла 16 и неподвижного приемногосопла 19. Последнее снабжено радиальным Фиксатором, препятствующимповороту сопла 19 н процессе вращения питающего сопла 16 и выполненнымс возможностью Фиксации приемногосопла 19 относительно стенок ствола скважины.Для упрощения конструкции в предлагаемом .устройстве фиксатор приемного сопла 19 конструктивно совмещен с верхним пакером (или обоими паке- рами) контейнера, Поскольку вес заряженного контейнера сравнительно мал (обычно не превьппает 80-120 кг), то при наличии подшипника 22, воспринимающего осевую нагрузку от контейнера, момент трения (пакеров) о сгенки ствола скважины всегда в несколько раз превышает 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 выполненную 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 спинных отверстий 4 контейнера при наименьшем возможном диаметре скважины в зоне тампонирования. Указанный .минимальный ход обеспечи 1121393вается подбором количества, материала и геометрических размеров упругихэлементов 26 в пакере,Для обеспечения удержания затвора5 и уплотнительнык элементов 26 пакера в рабочем положении при воздействии на нижний торец поршня 13пульсирующего давления со сторонынадпоршневой полости 10, способного1совместно с пружиной 8 привестизатвор 5 и упругие элементы 26 в колебательное движение, препятствующеенормальной работе устройства, двухступенчатый поршень 23 снабжен поменьшей мере одним радиальным гидравлическим фиксатором, размещенным вверхней ступени порШня и выполненнымв виде поршня (мембраны, сильфона,шарика и т.п. силового элемента) 29,соединенного каналом 30 с полостью 24 20нижнего переходника 20 пульсатора.Поршень 29 снабжен возвратной пружиной 31 и выдвижным штоком 32, которыйв рабочем положении фиксатора выдвигается из поршня 23 и опирается нанижний торец цилиндра 33 (фиг. 2),в который входит верхняя ступень поршня 23. Пружинная полость фиксаторасообщается с затрубным пространствомскважины, а конец штока 32 может З 0быть острьм или снабжен наконечникомс шипами для обеспечения дополнительной фиксации поршня 23 и приемногосопла 19 за счет упора штока (штоков)32 в стенки скважины. 35Нижний пакер контейнера может быть выполнен аналогично верхнему пакеру в виде набора кольцевых упругих уплотнительных элементов 34, разделенных жесткими прокладками 35, Набор40 уплотнительных элементов 34 размещен на нижней ступени двухступенчатого цилиндрического корпуса 36 между верхней ступенью корпуса, жестко соединенной с днищем 6 затвора 5, и45 нижним днищем 37, соединенным с днищем 3 контейнера с помощью стержневых 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 нижней 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 образом.Рабочая полость 11 контейнера заправляется на поверхности тампонажным раствором, после чего тампонажный снаряд. крепится верхним переходником18 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 затвор 5, что сопровождается открытием сливных отверстий 4 контейнера в результате их совмещения с окнами 7 затвора 5; одновременно перемещение поршня 23 вниз вызывает радиально- осевую 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 распоркой 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 собственнык 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 контейнераи стенками скважины или все сечениескважины, В конце хола двухступенчатого поршня 23 вниз шток 32 фиксатора опускается ниже торца цилиндра33 и под действием давления жидкости, 5преодолевающего сопротивление пружины 31 Фиксатора, выдвигается поршнем 29 из двухступенчатого поршня 23и опирается при этом на нижний тореццилиндра 33. Кроме того, шток 32своим концом может упираться в стенкускважины, что обеспечивает дополнительную фиксацию поршня 23 в нижнемположении и дополнительную фиксациюприемного сопла 19 от проворота. 15В процессе вращения питающегосопла 16 Формируемая им напорная струя периодически (при каждом обороте)сообщается с приемным соплом 19,создавая в нем рабочие импульсы дав ления, которые по патрубку 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 тампонированиявращение колонны и подачу рабочей З 5 жидкости прекращают. При этом давление в поршневой полости 24 падает,вследствие чего поршни 29 со штоками32 с помощью пружин 31 возвращаютсяв исходное положение, в результате 40чего затвор 5 освобождается от осевой фиксации и при помощи пружины 8 иупругих сил пакерующих элементов 26и 34 поднимается в исходное положение,Вместе с затвором 5 возвращаются в 45исходное положение поршень 23 и пакерующие элементы 26 и 34. После этого снаряд поднимается на поверхностьили, при необходимости, приподнимается над затампонированным участком 50 и вновь приводится в рабочее положение для последующего тампонированиянового участка ствола скважины приналичии резерва тампонажного материала в контейнере. Рабочий объем последнего может быть расчитан на тампонирование нескольких участков стволаскважины без подъема и перезарядки снаряда, благодаря чему суп;естн пн повьпнается производительность тамп - ниронания скважин.Предлагаемое изобретение позволяет повысить наЛежность работы устройства при тампонированни удаленных от забоя участков скважины эа 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. Используемые в устройстве пакеры с радиально- осевой деформацией уплотнительных 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 возможность деформации пакерующих элементов, что повышает надежность работы устройства. Кроме того, надежность работы устройства повышается 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 дополнительных материальных затрат, а также путем снижения уровня аварийности и повышения производительности тампонажных работ в скважинах.1121393 Составитель В. Гришаноедактор С, Лисина Техред З.Палий Корректор С, Черни 6 одписно 5 Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектна 20 В 23 Л аказ 7900/24 Тираж ВНИИПИ Госуда по делам иэ 113035, Москва, Б