Тампонажный снаряд (его варианты)

СОЮЗ, СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК ЯО 1285 504 Е 21 В 33/1 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ авление в скважи н с/см; й смес Р 3ние Всесоюзног е льского инсти разведки.8)191254,кл.166-286,поглощением ри бурении г н, М.; Недра АНТ лючаю- д оршень, ж пуса, скной енты Р а бъем газожидкостной сме гд т -тампониро- обежнос ени целью пов вания скв применением пено х смесей за с ирующистаби разных тампо повышения их нности в скв ние тиос ых услов ельного ительным сновным ей частиаполнением Р.,иях и увели объема, он поршнем, у поршнем и о корпуса ра ую инертным определяемь снабжен дополстановленным по разующим в ниж очую полость,зом под давлез выражения Псг (с+1) газожидкостно тампонирующей соотношениемеси в скважине-40); ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Патент СНА У1980. Ивачев Л.М. Борьба спромывочной жидкости плогоразведочных скважи1982, с, 200,(57) 1, Тампонажный снаряд, в щий корпус с осевым каналом, помещенный в осевом канале ко контейнер с отвердителем, вып подпружиненный клапан и компо смеси, помещенные под поршнем л и ч а ю щ и й с я тем, что тампонирования, кг13, - объем тампонирующеи взоне тампонирования, л;П, - объем инертного газа при давлении в тампонажном снаряде,л; основные компоненты смеси содержат смолу и пенообразователь, помещенные над дополнительным поршнем, который выполнен с осевым каналом, перекрытым обратным клапаном, и распыли- тельной форсункой для сообщения через него осевого канала корпуса с рабочей полостью при перемещении основного поршня, а выпускной клапан выполнен с возможностью его открытия от авления Р ыа, определяемого из выра- ения: в тампонажном снаряде, л объем раствора смолы в там- ЬР понажном снаряде л, 00 объем раствора пенообразо- ф вателя в тампонажном сна-ваай ряде, л,причем объем инерт- Д; ного газа в рабочей полости ( превышает объем смолы ипенообразователя в устройстве не менее, чем в 2 раза, - суммарный ооъем жидкихкомпонентов в тампопажном снаряде, включающий объемы раствора смолы, пенообразо- фф вателя и отвердителя, определяемый из выражения= Та+1 Т - .,с 0, РвюЗ 11-41Нсм пАь о Ч Рз4 Н 7,где Ы г 2. Тампонажный снаряд по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что рабочая полость заполнена аргоном.3. Тампонажный снаряд, включающий корпус с осевым каналом, поршень,помещенный в осевом канале корпуса, контейнер с отвердителем, выпускной подпружиненный клапан, о т л и ч а - ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности тампонирования скважин с применением пенообразных тампонирующих смесей за счет повышения их стабильности в скважинных условиях и увеличения их относительно объема, он снабжен распылительной форсункой, установленной в корпусе под поршнем, образующим в нижней части корпуса рабочую полость, заполненную гомогенной газожидкостной смесью при условии Изобретение относится к области бурения скважин, в частности к устройствам для их тампонирования многокомпонентными отверждаемыми смесями, в том числе газожидкостными приготовляемыми в скважине непосредственно в интервале изоляционных работ.Цель изобретения - повышение надежности тампонирования скважин с применениеь пенообразных тампонирующих смесей за счет повышения их стабильности.На фиг. 1 изображено устройство, общий виц; на фиг, 2 в , то же, вариант,Устроиство включает корпус 1 сн15 осевым каналом 2, поршень 3, помещен ный в осевом канале корпуса 1, контейнер 4 с отвердителем, выпускной . подпружиненный клапан 5 и компоненты смеси 6, помещенные под поршнем 3. Под основным поршнем 3 установлен дополнительный поршень 7, который образует в нижней части корпуса рабочую полость 8, Эта полость заполнена инертным газом, например аргоном, под давлением Р , которое определено из выражения; и под давлением Р определяемымиз выражения а выпускной подпружиненный клапанвыполнен с возможностью его открытияот давления Р , определяемого извыражения 4. Тампонажный снаряд по п.3, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что он снабжен сетчатым эластичным элементом из гидрофобного материала, с размером ячеек в свету не менее 6 диаметров пузырька пены, помещенным в рабочей полости с возможностью перемещения относительно корпуса, а гомогенная газожидкостная смесь помещена в сетчатый эластичный элемент. газожидкостное соотношение тампонирующей смеси в скважине ( Ы = 10-40);давление в скважине в зоне тампонирования, кгс/см; объем тампонирующей смеси в зоне тампонирования, л; объем инертного газа при давлении в тампонажном снаряде, л. Суммарный объем жидких компонентов в тампонажном снаряде Ч , включающий объем раствора смолы, пенообразователя и отвердителя, определяют из выЧсражения; Ч = при этом осЫ+1новные (жидкие) компоненты смеси, содержащие смолу (например, карбамидоформальдегидную) и пенообразователь (например, эмульгатор Е) помещены над дополнительным поршнем 7 (т.емежду основным 3 и дополнительным 7 поршнями).1285140 Дополнительный поршень 7 выполнен с осевым каналом 9, перекрытым обратным клапаном 10, Через обратный клапан 11 осевой канал корпуса или полость основных компонентов смеси сообщается с рабочей полостью 8 при перемещении основного поршня 3 .(при работе устройства), Выпускной клапан 5 выполнен на определенное давление открытия, которое определено из выра жения: г Р вша стной смеснаряде, л;смолы в объе тамп объе вател вора жном с ряде, л;пенообразоажном сна ра твора тампо в ряде,Объем инертногаза в рабочейобъем смолы и устройстве не ме олости превышаетенообразователя 5 ее чем в 2 разРабочая поло ер, аргоном, Д а (контейнер 4 аправочный обр оршнями 13 кон а аполнена, напристроистм служит 12.Между ещен соть рабои сниавк твердител ый клапан атн тей пуса 1 и заключестной смеси.тва с примене 30 нера 4 и т надежн лидол, что по ты поршней, и жает коррозию ша ерметичнос костных ктивногодавлением.в в кото гнетается о т н под тройс есь н 5 рых отверждающаяся через устье скважин вляется изменесвойств нагнеичес ие изико 40 таемои смеси, вызванные ее онием и изменением давления в процессе нагнетания. Это при изменению по глубине газожид соотношения, времени отвержд вержденей в одит к остног братные запробками я устройс авочные клана н Другой вариа ва (фиг, 2) в вым каналом 2 ый в осевом к ер 4 с отверд жиненный клап глуше 45 структурнои вязкости и динамическогонапряжения сдвига. В результате объе газонаполнения (например, химическим методом) тампонирующей смеси неэначи телен, Это исключает возможность существования монолитной тампонирующей смеси в пенообразном состоянии с оптимальным газожидкостным соотношением под давлением в зоне тампонирования.Кроме тогообеспечивают выполнени чает корпу поршень 3, ле корпуса с ос омеще конте н е 5 лем,впускно подпр1 под устанка 6. части аполненй смесью корп поршнемная фо лен спыли образ Поршен корпус ную го не рабочуогенной полостьгазожидкоЧ7 +7слс ПАР, опре н при условии турированн без ущерба и прочност ляемым из и под выраж авлениемия де Ч - объем газожид в тампонажномДля заправки рабочей полости 8 инертным газом служит заправочный обратный клапан 14. Заправочный обратный клапан 15 служит для зарядки устройства растворами смолы и пенооб разователя. Для выдавливания раствора отвердителя из контейнера 4 служит форсунка 16а впускной подпружиненный клапан выполнен с возможностью его открытия от давления Р , определяемого извывыражения: Распылительная форсунка 6 служит для подачи компонентов в рабочую полость 7 для приготовления в ней гомогенной газожидкостной смеси.Для заправки контейнера 4 отвердителем служит заправочный обратный клапан 8. Между поршнями 9 контейнера 4 по-. мещен солидол.Для заправки рабочей полости 7 инертным газом служит заправочный обратный клапан 10. Для выдавливания раствора отвердителя из контейнера 4 служит форсунка 11, В рабочую полость 7 может быть помещен сетчатый эластичный элемент 12 из гидрофобного материала с размером ячеек в свету не менее 6 диаметров пузырька пены. Этот элемент должен быть установлен с возможностью перемещения относительно корния в себе газожидкИзвестные устройнием отверждающихсясмесей не обеспечивтампонирования скважПричиной этого для у эти устроиства не получения быстро структампонирующих составов оцессу их газонаполнени1285140 5Образование газа в этом случае происходит в результате смешивания исходных не газообразных реагентов и количество этого газа, а следовательно, и относительный (по отношению к . объему исходных реагентов) объем образующейся газожидкостной смеси ограничен. Максимальная величина кратности получаемой таким методом пены достигает 20.,а конечный объем пены при использовании однокомпонентных пенопластов обычно только вдвое превышает объем исходной композиции, Причем следует подчеркнуть, что этот предельный показатель увеличения объема вспененного продукта получен в нормальных условиях. т,е. при давлении, незначительно отличающемся от атмосферного.Если такую смесь сжать до уменьше ния объема ее газовой составляющей в 20 раз, что соответствует условиям ее пребывания под столбом воды высотой всего в 200 м, то истинное под давлением газожидкостное соотношение такой смеси будет также меньше примерно в 20 раз, т,е. станет равно 1. Если столб жидкости или давление сжатия будут еще несколько выше,то тампонирующая смесь вообще превратит- ЗО ся в жидкость с невидимым растворенным газом и весь положительный тампонирующий эффект от ее гаэанаполненности при таких условиях исчезнет. И тем более он будет незначителен, если эакачивать тампонирующую смесь приходится под давлением в десятки и даже сотни атмосфер под столб жидкости в сотни и тысячи метров.Следовательно, тампонирование скважин 40 ,отверждаемыми газожидкостными смесями, получаемыми в зоне тампонирования химическим вспениваннем (в частности с использованием тампонажногоснаряда), не обеспечивает эффективного тампонирования под давлением вскважинных условиях, Соблюдение отмеченных условий заполнения тампонажного снаряда реагентами позволитполучить в зоне тампонирования тампонирующую смесь в пенообраэном состоянии с оптимальным под давлениемгазожидкостным соотношением в пределах 10-40. Величина 10-40 задаетсяи соответствует пребыванию темпонирующей смеси в зоне тампонированияв стабильном пенообразном состояниис оптимальными технологическими свойствами. 6Выдавливание газожидкостной смесииз тампонажного снаряда при превышении его давления Робеспечиваетеыполное смешивание раствора смолы ипенообразователя с газом прежде,чемэта смес" будет выдавлена, В случае,если смесь начнет выдавливаться додостижения регламентированного давления Р, , то полного смешиванияобъема раствора смолы и пенообразавателя с газом не произойдет, чтоприведет к нарушению газожидкостногосоотношения тампонирующей смеси иснижению эффективности тампонирования. Получение регламентированногозначения Ропределяется простымвюконструктивным исполнением, Для этого пружина выпускного клапана настраивается на необходимое усилие отдавления нагнетаемой продавочнойжидкости,Превышение объема инертного газав тампонажном снаряде к жидкой фазене менее чем в 2 раза обеспечиваетзаданное газожидкостное соотношениетампонирующей смеси под давлениемв зоне тампонирования и ее большуюоднородность. При этом вполне возможно кратковременное существованиегазожидкостной смеси в тампонажномснаряде в аэрированном виде с газожидкостным соотношением не менее1, что и определяется данным условием, После получения смесь выдавливают из тампонажного снаряда, она,расширяясь, увеличивает свой объемпримерно в 40 раз, обеспечив получение максимального объема тампонирующей смеси при заданной максимальной степени, аэрации 40 под давлениемв зоне тампонирования, Использованиеаргона для газонаполнения повышаетустойчивость пены и тампонирующейсмеси.Устройство работает следующимобразом.Исходные данные; глубина скважины 1000 м, интервал тампонированияна глубине 500 м представлен кавернами и водоносом, столб воды вышеинтервала тампонирования равен 130 ми не поднимается выше этой отметкипри нагнетании жидкости в скважинуиз-за ее поглощения, т.е. Р- 13 кгс/см, необходимый объем тампонирующей смеси в зоне тампонирования Ч = 100 л, истинное газожидкостное соотношение тампонирующей смесипод давлением столба воды в зоне там 7 12851 понирования А= 10, объем газовой емкости в тампонажном снаряде или объем газа под давлением в снаряде Ч, = 20 л; задача тампонирования - создание искусственного забоя в5 скважине диаметром 76 мм.Тампонирование скважины осуществляют следующим образом.Определяют необходимое давление газа в тампонажном снаряде, 10Р д= 59 1 кгс/см 2д ЧРг -1 Ч .фгОпределяют суммарный объем жидкихреагентов, необходимый для заполнения тампонажного снаряда Чс 408диаметр цилиндрической газовой емкости равен 50 мм, тогда высота этой емкости определяется по формуле,Ь = = 250 смЧБй где Ь - высота цилиндра; Б - площадь основания цилиндра. Такая высота газовой емкости втампонажном снаряде конструктивно и технологически вполне допустима.Для представленной на фиг.1 конструкции снаряда высота емкости для кислоты равна высоте газовой емкости, т.е. равна 250 см. Условный диаметр цилиндра кислотной емкости равен 2 см, тогда объем этой ем- кости равенПроверяют соответствие объемовкомпонентов при условии, что ЧнЧф см Да 8) 2; = 2,2 1 2.Ч, 20+ЧсМ ПдЬ . фСоотношение жидких реагентов, прикотором обеспечивается начало интенсивного отверждения вспененной тампонирующей смеси сразу после выхода ееиз тампонажного снаряда следующее,об.Е:Карбамидформальдегидная смола Кф-ИТ 61,6Однопроцентный растворэмульгатора Е33Кислота ортофосфорная,Х 4, Н РО, 5,4Следовательно, для заправки тампонажного снаряда потребуется 5,6 лраствора смолы, 3 л раствора пенообразователя и 0,5 л раствора кислотного отвердителя, что в сумме составит9,1 л = ЧОпределяют объем емкости для кислоты в тампонажном снаряде.Конкретные конструктивные параметры тампонажного снаряда должны обеспечивать осуществление предложеннойтехйологии, так как в противном случае тампонажный снаряд для получениявоздушно-механическим методом вспе"пенной отверждающейся тампонирующейсмеси, спроектированный абстрактнобез знания особенностей технологиитампонирования, окажется неработоспособным и не обеспечит эффективноготампонирования.Объем газовой емкости в тампонажномснаряде равен Ч = 20 л, внутреннийЧ = Ь"Б = 785 см = 0,785 лэПоскольку конструктивно объемкислотной емкостн.в тампонажном снаряде известен и равен Ч=0,785 л, а для осуществления способа при помощи конкретного снаряда, представленного на фиг, 1, необходимо осуществить полное заполнение кислотнойемкости, то, не нарушая соотношения30ингредиентов тампонифующей смеси,производят разбавление концентрированной кислоты водой, предназначенной для раствора ПАВ (поверхностноактивного вещества, в конкретномпримере эмульгатора Е) таким об 35 разом, чтобы потребное количествокислоты, находящейся в растворе,полностью заполнило кислотную емкость,при этом естественно возрастает концентрация пенообразователя Еврастворе до 1,1 Х, что в принципе неповлияет на параметры и эффективность тампонирования, даже если концентрация ПАВ в растворе возрастетдо 7-8 Е. При дальнейшем росте концентрации происходит падение пенообразующей способности раствора.Величина концентрации ПАВ в растворе, равная 1, 1 Х, получена следующим образом,Количество раствора пенообразователя, равное 3 л или 3000 г, соответствует 1007, 17 из 1007. приходится на ПАВ, следовательно, количество ПАВ определяется соотношением55 3000 г - 1007.Х г - 17, Х = 30 г,тогда количество воды равно 2970 г.,Итак Ч, = 1,17 л; Ч=0,63 л; ряда 1 кгс см 2 Определив нео имое ко ное нажногопревы 40Заправку газом производят до давления Р, = 59,1 кгс/см, при этом выпускной подпружиненный клапан настроен на перепуск при превышении давления Р = 101 кгс/см . Послевыа 45 подготовительных операций тампонажный снаряд спускают в скважину, например на глубину 500 м. Для тампонирования скважины с,предварительным получением пены в снаряде перед его спуском в скважину может быть исполь 50 зован снаряд, изображенный на Фиг, 2. Для этого определяют необходимое количество раствора смолы и пенообразователя.55 ают из димое роизснарядааглушкуклапанейнера 4ителя,Для это ерез за выворачивают звочный обратныи производствором к заправ отного конт е при этом поршень ется вверх до уп няется раствором нтеин виг ра,а контекислоты. Пнтейнера заполсле око выворачания заправки кчивают заглушку.Далее выворач ают загл ку запр резуль шень 7 движет- фиксивочного о тате чего го клапа дополнительный повием давления газадо упора, где он и я в Для полного заполнения кислотнойемкости определенное из соотношенияингредиентов количество концентрированной кислоты, равное 0,5 л, необ,ходимо развести и дополнить водой до 5объема, равного 0,785 л. Необходимыедля этого 0,285 л воды берутся изколичества воды, предназначенной дляраствора ПАВ, что не нарушает количественного соотношения веществ,вступающих в реакцию, Следовательно,количество воды для раствора ПАВуменъшится на величину 0,285 л исоставит 2970-285 = 2685 г или2,685 л, при этом количество ПАВостанется равно 30 г,Общее количество воды и ПАВ, соответствующее 100%, равно 2715 г, тогдановая концентрация ПАВ в растворе определяется 20 2715 г. - 100%у 30 г - Х%; Х = 1,1%,С учетом изложенного уточненное количество жидких реагентов для заправки снаряда в сумме не изменится и составит: 5,6 л раствора смолы Ч;2,715 л, 1,1%-ного раствора пенообразователя Ч ; 0,785 л растворадокислоты Чи30Далее по Формуле определяют давление, при превышении которого газожидкостную смесь, состоящую из газа,растворасмолы и пенообразователя,выдавливают из тампонажного снаряда Для получения максимального объеа тампонирующей смеси в зоне. тампоирования с с= 10 давление пены в ампонажном снаряде должно иметь максимальную величину Р а , Р а газо- жидкостное соотношение пень 1 под этим давлением - минимальную величину о, = 10, поэтому условия (1) разрешены в сторону меньшего равенства.Зная соотношение жидких реагентов смеси, об.%, как Ч,: Ч ; Чч61,6:33:5,4 определяют конкретные величины Ч, Чв, Ч, исходя из 61,6 33 2 .Ч +Ч = 1,8 л; 61 6 33дде ( 3 +1) =1,8 л; Чв= 0,63 л; 61,6 Ч,= 1,8 - Ч= 1,17 л; Ч =.0,1 л; Ч = 1,9 л Чтобы исключить пересчет, объем кислотной емкости в тампонажном снаряде принимают равным Ч = 0,1 л,Далее определяют конечное давление газозаполнения тампонажного сна 12,35 кгсм 2Р Д;Чг величинуВы Г Р -- 13 67 кгс/см,Рк Ч,Выа Ч (Ч +Ч ) авление газозаполнения там наряда Р , давление Р , пр енин которого пену выдавли тампонажного снаряда, и нео количество жидких реагентов водят заправку тампонажнсгоруется. Заправку газом производят до регламентированного давления Рг, при этом впускной подпружиненный клапан 5 при помощи регулировочной втулки настроен на перепуск при превышении 5 регламентированного давления Рвь ф При движении дополнительного поршня 7 вверх происходит движение вверх и основного поршня 13, которое прекращается после фиксации дополнитель ного поршня 7 в крайнем верхнем положении, После окончания заправки рабочей полости вворачивают заглушку.Далее выворачивают заглушку заправочного обратного клапана 14 и произ водят заправку устройства раствором смолы и пенообразователя, при этом основной поршень 13 отходит от зафиксированного дополнительного поршня 7 и движется вверх до тех пор, 20 пока устройство не заполнится необходимым расчетным количеством раствора и пенообразователя.После спуска тампонажного снаряда в скважину на необходимую глубину производят непосредственно процесс тампонирования, для чего включают буровой насос и при помощи продавочной жидкости выдавливают раствор .смолы и пенообразователя из устрой ства. При этом обратный клапан 10открывается и раствор смолы н пенообразователя через форсунку 16 рас- пыляется в находящийся под давлением газ рабочей полости емкости 8, что 35 приводит к интенсивному пенообразованию и получению газожидкостной смеси в рабочей полости.Избыточная энергия сжатого газа способствует пенообразованию при рас пылении в него смеси раствора и пенообразователя с превращением этой энергии в поверхностную энергию пленок пузырьков, а образованная под давлением пена обладает большой устойчивостью. После того, как основной поршень 13 упрешься в дополнительный поршень 7, происходит расфиксация поршня 7 и начинается совместное движение поршней вниз, при этом открывается впускной клапан 5 и канал контейнера 4, в результате чего под действием продавочной жидкости происходит выдавливание гаэожидкостной смеси раствора смолы и пенообразователя из тампонажного снаряда и распыление в нее через форсунку 16 раствора кислотного отвердителя, что приводит к образованию в зоне тампонирования монолитной тампонирующей быстротвердеющей смеси в пенообразном состоянии с оптимальным газожидкостным соотношением под давлением непосредственно в зоне тампонирования.Режим работы форсунки 16 подбирают так, чтобы обеспечивать равномерное распыление раствора кислотного отвердителя на весь объем выходящей из снаряда газожидкостной смеси. Для улучшения смешивания газожидкостной смеси с раствором кислотного отвердителя к нижней части может быть присоединен смеситель. Для тампонирования с предварительным получением пены в тампонажном снаряде перед его спуском может быть использован тампонажный снаряд, изображенный на фиг. 2, а тампонирование в этом случае омуществляют созданием давления жидкости и вытеснения из рабочей полости 7 готовой смеси при регламентированном давлении, таком же, как и для предыдущего варианта устройства, Одновременно с этим из контейнера 4 происходит вытеснение кислотного отвердителя и его распыление через форсунку 11 в газожидкостную смесь. В целом порядок подготовки устройства к работе и егоработа по последнему варианту аналогичны предыдущему./5 оизв твенно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Прае ВНИИПИ по 3035, Тираж 554осударственного комитета СССам изобретений и открытийсква, Ж, Раушская наб., д Корректор А. ЗимокосовПодписное