Изоляция поглощающих зон быстросхватывающимися смесями

 

Очень редко БСС нагнетают в зону поглощения в виде однорастворного состава через колонну бурильных труб. Сложность регулирования сроков схватывания БСС непосредственно в поглощающем интервале в силу трудности учета факторов, их определяющих (и в первую очередь времени и условия перемешивания в процессе транспортировки), приводит или к недостаточной эффективности изоляционных работ, или к преждевременному схватыванию раствора в нагнетательной системе. Как правило, БСС получают непосредственно в зоне поглощения в специальных тампонажных устройствах. Задача сводится к выбору рецептуры и рационального объема смеси, который определяют опытным путем. Если за один цикл работ устранить поглощение не удается, то проводят многократную изоляцию. Обычно за один цикл при длине контейнера смесителя 8-9 м можно устранить поглощение в зону мощностью 3-5 м. Если и основной раствор и ускоритель схватывания опускаются в тампонажном устройстве, то обработанная зона уменьшается до 1-2 м. Тампонирование производят снизу вверх, а последующее нагнетание – над тампонажным стаканом предыдущего.

Получение БСС в специальных скважинных устройствах дает наибольший эффект. Однако и здесь далеко не всегда удается получить оптимальные сроки схватывания тампонажного состава. Кроме того, тенденция уменьшения диаметров разведочных скважин существенно ограничивает перспективы применения скважинных тампонажных устройств.

В практике нефтяного бурения широко распространен способ раздельной доставки компонентов БСС к зоне поглощения. Так, имеется способ транспортировки ускорителей схватывания в полиэтиленовых сосудах совместно с тампонирующим раствором через спущенные в скважину бурильные трубы. При выходе из бурильных труб сосуды разрушаются с помощью специальных ножей, установленных в смесителе на конце бурильных труб. Такую закачку производят с использованием пакера. Тампонажный раствор может содержать небольшое количество ускорителей схватывания, в присутствии которых вводимые в скважину вещества влияют наиболее эффективно.

Реже применяют параллельную закачку тампонажного раствора и ускорителя схватывания по двум колоннам труб, опущенных к зоне поглощения. В практике разведочного бурения такой способ может быть использован только при определенных условиях (значительный диаметр скважины, наличие комплекта трубок для ускорителя и т.д.).

БСС можно закачивать и по стволу скважины, но в подобном случае компоненты смеси перемешиваются в тройнике смесителя, находящегося на нагнетательной линии цементировочного агрегата. При этом появляется возможность предварительной выдержки смеси в стволе скважины перед ее нагнетанием в пласт. Этот этап изоляционных работ может существенно повысить их эффективность. Основная сложность – в определении оптимального времени выдержки. Чем выше проницаемость поглощающего горизонта, тем больше должна быть выдержка. Однако чрезмерная выдержка может привести к увеличению структуры раствора до непрокачиваемой, что приведет к осложнениям вследствие гидравлического разрыва пород. Оптимальное время можно получить, предварительно изучив изменения пластической прочности БСС данного состава во времени.

Если позволяют условия, то при использовании выдержки БСС доводят до зоны поглощения и выдерживают непосредственно в проницаемом интервале скважины.

 

 

Тампонажные устройства

 

Тампонажные устройства используют для доставки в скважину тампонажного состава, приготовленного на поверхности или для приготовления тампонажного раствора непосредственно в скважине. Эти устройства представляют собой емкость-контейнер и вспомогательные устройства, обеспечивающие герметичность конструкции, извлечение и перемешивание компонентов состава.

Тампонажные устройства, применяемые для доставки готового состава, несложны и обычно представляют собой трубу-контейнер с пробкой в нижней части. Тампонажные устройства для одновременного раздельного спуска в скважину исходных компонентов раствора – погружные смесители – состоят из двух концентрически расположенных труб, причем основной компонент может заполнять внутреннюю трубу, а ускоритель (отвердитель) – зазор, и наоборот. Так как объем основного компонента больше, чем ускорителя схватывания (отвердителя), соответственно изменяются размеры внутренней трубы, что влечет изменение набора и конструкций вспомогательных устройств.

Исходные компоненты могут выдавливаться с использованием эжекторного эффекта.

Тампонажные снаряды такого типа позволяют подбором размера внутренней трубы строго выдерживать заданную рецептуру тампонажного состава и повышать эффективность и надежность изоляционных работ. Однако общий разовый объем доставки тампонажного состава невелик, диктуется оптимальной длиной контейнера, которая обычно не превышает 9-10 м, и составляет при наружном диаметре тампонажного устройства 73, 89, 108 мм соответственно 30, 45 и 70 л раствора.

На рис.13 приведена конструкция одного из таких устройств. Внутренний контейнер выполнен в виде эластичной камеры 9 из резины. Компоненты БСС выдавливаются с помощью поршня 6, в который встроены два подвижных ролика 7. Промывочная жидкость к поршню поступает через отверстие в переходнике 1 и два отверстия в промежуточном переходнике 2. Эластичная камера крепится вверху посредством конуса 4, внизу – гайкой 11. Снизу контейнеры перекрываются клапаном 12 с пружиной 13, которая опирается на дырчатую пластинку 15. При движении поршня вниз давление в контейнерах повышается, клапан открывается и компоненты (основной – через радиальные отверстия в смесительном переходнике 10, а ускоритель схватывания – через осевой канал) попадают в смесительную камеру 14. Дополнительно компоненты перемешиваются при протекании через перфорированную пластину и через отверстие в нижнем переходнике 16 поступают в перфорированный патрубок 17, а затем в скважину.

Рис.13. Тампонажное устройство с эластичным внутренним контейнером   1 – переходник; 2 – промежуточный переходник; 3 – заглушка; 4 – конус; 5 – труба; 6 – поршень; 7 – ролики; 8 – манжета; 9 – эластичная камера; 10 – смесительный переходник; 11 – зажимная гайка, 12 – клапан; 13 – пружина; 14 – смесительная камера; 15 – перфорированная пластина; 16 – нижний переходник; 17 – перфорированный патрубок

Недостаток этого устройства заключается в ограниченной длине контейнеров, которая диктуется длиной обсадной трубы. Кроме того, снаряжение такого устройства компонентами очень трудоемко.

Тампонажные устройства с одновременной раздельной доставкой к зоне поглощения всех исходных компонентов используют обычно при изоляции высокопроницаемых горизонтов небольшой мощности. При значительной мощности поглощающей зоны приходится спускать устройство несколько раз, причем эффективность тампонирования уменьшается.

Большое распространение получили тампонажные устройства, в которых ускоритель схватывания, находящийся в контейнере, смешивается в поглощающем интервале скважины с основным компонентом, закачиваемым с поверхности буровым насосом. Основной компонент может пропускаться через центральную трубу тампонажного снаряда и реже – через кольцевой зазор. Это обусловливает особенности конструктивного исполнения вспомогательных устройств.

Такие тампонажные снаряды позволяют получать за один цикл закачки большие объемы тампонажных составов, в силу чего их используют для изоляции проницаемых интервалов значительной мощности. Общий их недостаток состоит в ненадежном обеспечении заданной рецептуры тампонажных составов, что сказывается на стабильности результатов тампонирования даже в идентичных условиях. Многочисленность конструкций этой группы тампонажных устройств обусловлена попытками устранения этого недостатка.

Рис.14. Тампонажное устройство ТУ-4   1 – переходник; 2 – обратный клапан; 3 – внутренняя труба; 4 – отверстие; 5 – наружная труба; 6 – центратор; 7 – ниппель; 8 – шарик; 9 – шайбы; 10 – корпус; 11 – ползун; 12 – уплотнительная манжета; 13 – гайка; 14 – кольцо с пружинящими пластинами; 15 – кожух; 16 – стакан; 17 – пружина; 18 – клапан; 19 – головка

Наиболее распространенная конструкция – погружные смесители типа ТУ, разработанные в СКБ ВПО «Союзгеотехника». Нормальный ряд этих устройств охватывает диаметры 57-127 мм. На рис.14 показан тампонажный снаряд ТУ-4. Снаряд опускают в скважину на бурильных трубах, присоединяемых к переходнику 1. Ускоритель схватывания заливают в межтрубную полость, преждевременное истечение его из полости контейнеров исключается наличием в конструкции подпружиненного ползуна 11. Для приведения смесителя в действие в колонну бурильных труб непосредственно перед нагнетанием основного компонента тампонажного состава, например, цементного раствора, забрасывают шарик 8, перекрывающий канал ползуна 11. Закачиваемый раствор проходит по внутренней трубе 3 устройства и, оказывая давление на шарик, смещает ползун вниз и открывает выходные отверстия контейнера. Одновременно часть цементного раствора через окна-отверстия 4 попадает в верхнюю часть контейнера и давит на ускоритель схватывания сверху, способствуя истечению ускорителя.

Смесь раствора с ускорителем сдвигает кожух 15 с уплотнительной манжеты 12 и выходит в скважину. Манжета, расправляясь под действием кольца 14 с пружинящими пластинами, перекрывает затрубное пространство (кольцо с манжетой крепится на тампонажном устройстве гайкой 13). Кожух 15, скользя по стакану 16, зависает на головке 19. Обратный клапан 2 обеспечивает выравнивание давления в скважине и колонне бурильных труб. Скорость истечения ускорителя регулируется установкой сменных шайб 9.

Для предупреждения смешивания компонентов в верхней части контейнера при сборке устройства на поверхность ускорителя схватывания заливают 1-2 л глинистого раствора, который играет роль разделительной подушки.

После продавливания цементного раствора расчетным количеством промывочной жидкости устройство извлекают на поверхность, разбирают и промывают.

Конструкция тампонажного снаряда предусматривает возможность предварительной промывки скважины и намывку инертных наполнителей. При этом жидкость выходит через отверстия в головке 19, перекрываемые клапаном 18. Объем контейнера регулируется длиной труб, которые соединяются ниппелями. В длинных контейнерах центральная труба фиксируется центраторами 8.

В тампонажном устройстве ТУ-4 используют эффект эжекции. Однако этот эффект только осложняет поддержание расчетной рецептуры, так как рассчитать действительную скорость истечения ускорителя схватывания под комбинированным действием давления цементного раствора и эжекции чрезвычайно трудно. Расчет диаметра отверстий в шайбах, исходя только из условия истечения ускорителя схватывания под давлением, приводит к значительному увеличению действительной скорости истечения. Поэтому сначала из смесителя выходит быстросхватывающая смесь с большим содержанием ускорителя схватывания, затем концентрация ускорителя уменьшается, а последние порции раствора ускорителя не содержат. Эффект тампонирования во многом зависит от того, образовалась ли в поглощающем интервале равномерная завеса из БСС и не продавит ли раствор, не содержащий ускоритель схватывания, эту завесу при вытекании смеси в пласт.

Изоляционные работы с применением тампонажного снаряда ТУ-4 нередко оказываются успешными. Однако бывают случаи, когда устройство выходило из строя вследствие поломки головки 19 при ударе об уступ или о завал при спуске к зоне поглощения. Отверстия в стакане могут засоряться при прокачке БСС, что снижает надежность устройства.

Рис.15. Универсальный тампонажный снаряд УТС-1М   1 – корпус; 2 – клапан; 3 – седло клапана; 4 – калибровочное отверстие; 5 – втулка; 6 – верхний переходник; 7 – внутренняя труба; 8 – наружная труба; 9 – переходник; 10 – шарик; 11 – шток; 12 – смесительная камера; 13 – пружина клапана; 14 – упорный фланец; 15 – направляющая; 16 – патрубок; 17 – корпус нижнего клапана; 18 – шарик; 19 – пружина; 20 – упорная шайба; 21 – нижний переходник

С целью устранения отмеченных недостатков был разработан универсальный тампонажный снаряд УТС-1М (авторы О.Г. Корсак, Н.Т. Гусев).

Снаряд УТС-1М (рис.15) состоит из корпуса 1, наружной 8 и внутренней 7 труб, двух клапанов: верхнего основного, состоящего из собственно клапана 2, седла 3 с калиброванными отверстиями 4, штока 11 и пружины 13, и нижнего вспомогательного, состоящего из корпуса 17, шарика 18, пружины 19 и упорной шайбы 20. Втулка 5 имеет восемь сквозных отверстий, через которые основной компонент поступает в межтрубное пространство с ускорителем схватывания.

Снаряженное тампонажное устройство опускают в скважину без шарика 10, что позволяет промывать скважину через открытый канал устройства. При необходимости к нижнему переходнику устройства 21 может быть присоединено шарошечное долото, что позволяет доставить снаряды в зону поглощения при неудовлетворительном состоянии скважины. Перед началом закачки основного компонента, чаще после закачки небольшой порции, забрасывают шарик 10, что приводит к перекрытию отверстия штока и перемещению его вниз по направляющей 15. Через отверстия 4 ускоритель схватывания (твердения) попадает в смесительную камеру 12, а затем через нижний клапан – в скважину. Трехгранная форма упорного фланца 14 обеспечивает беспрепятственный проход тампонажного состава к нижнему клапану.

Эксперименты в лаборатории показали, что заданный состав быстросхватывающейся смеси обеспечивается подбором диаметра отверстий в седле клапана и жесткостью пружины 13, причем последняя играет определяющую роль.

При снаряжении устройства УТС-1М на ускоритель схватывания заливается 20-30 см буферной жидкости. Наличие нижнего обратного клапана исключает попадание тампонажного состава в снаряд, но не препятствует его промывке в скважине после окончания тампонирования. Тампонажный снаряд УТС-1М является надежным устройством. Однако некоторые его детали, например, седло клапана 3, упорный фланец 14 довольно сложны для изготовления в небольших механических мастерских.

Рис.16. Тампонажное устройство с внутренним контейнером   1 – верхний переходник; 2 – наружная труба; 3 – внутренняя труба; 4 – поршень; 5 – переходник; 6 – шарик; 7 – пружина; 8 – опорная втулка; 9 – ниппель; 10 – нижний переходник

Общий вид конструкции устройства, в котором основной компонент, закачиваемый с поверхности, движется по зазору между трубами, а ускоритель схватывания (отвердитель) выдавливается из центральной трубы-контейнера, представлен на рис.16. Конструкция проста по устройству, однако других положительных качеств не имеет. Регулировка рецептуры несовершенна, а потому ненадежна. Объем ускорителя схватывания меньше, чем в конструкциях того же наружного диаметра, где он помещен в зазоре между трубами. Возможно выдавливание ускорителя вытесняемой в процессе закачки основного компонента промывочной жидкостью.

Существует целый ряд тампонажных устройств, пред- ставляющих собой комбинацию смесителя с пакером. Одно из таких устройств представлено на рис.17. Снаряд состоит из пяти частей: опорной трубы, резинового пакера с деталями крепления и осевого сжатия, контейнеров для компонентов и специального переходника. Опорная часть, представляющая собой колонну бурильных труб, свободна в осевом направлении относительно трубы, через которую выходит тампонажная смесь. Длина опорной части зависит от глубины залегания поглощающей зоны. Пакер срабатывает при соответствующей силе подачи бурильных труб. После установки снаряда БСС выдавливается через окна в опорных трубах ниже пакера.

Рис.17. Тампонажный снаряд с пакерным устройством   1 – переходник; 2, 6 – труба внутренняя; 3, 5 – труба наружная, 4,8 – переходник; 7 – сальник; 9 – пакер; 10 – золотник; 11 – переходник; 12 – втулка; 13 – пробка; 14 – труба опорная; 15 – окно; 16 – поршень; 17 – пружина; 18 – золотник; 19 – шарик