Способ изоляции зоны поглощения в строящейся скважине и устройство для осуществления изоляции
METHOD OF ISOLATING AN ABSORPTION ZONE IN A CONSTRUCTED WELL AND A DEVICE FOR CARRYING OUT INSULATION

Изобретение относится к бурению скважин, а именно к способам и устройствам изоляции зон поглощения бурового раствора в строящейся скважине.
Наиболее близким по технической сущности является способ изоляции зоны поглощения в строящейся скважине, включающий определение интервала поглощения, объема тампонажной смеси, сборку устройства для изоляции зоны поглощения, заправку тампонажной смесью, спуск устройства в скважину к зоне тампонирования, перекрытие ствола скважины над тампонируемым интервалом, вытеснение тампонажной смеси в зону поглощения (патент RU № 2085699, МПК E21B 27/02, опубл. 27.07.1997 г., Бюл. № 21). Устройство дополнительно снабжено поршнем, разделяющим внутренний объем контейнера на надпоршневую и рабочую полости, опорной трубой со сливными отверстиями на верхнем конце, соединенном с нижним концом контейнера, и установленный над контейнером струйный пульсатор, и дефлектор, выполненный в виде диска с отверстиями, размещенного в корпусе между питающим и приемным соплами. Обойма размещена в патрубке и снабжена в верхней части патрубком и уплотнением, поджатым пружиной, а отверстия в дефлекторе расположены эксцентрично относительно его оси с эксцентриситетом, равным эксцентриситету сопел. Устройство снабжено пакером, выполненным в виде набора упругих уплотнительных элементов и разделительных колец. Для разобщения вращающихся и неподвижных деталей между верхним переходником и корпусом установлен подшипник, пакер выполнен с возможностью исключения взаимного проворачивания его подвижных и неподвижных частей (например, за счет применения в его конструкции шпоночного или шлицевого соединения деталей), а на конце опорной трубы установлена буровая коронка, препятствующая вращению опорной трубы относительно забоя скважины. Перед заправкой устройства тампонажным материалом выбирают по длине колонковую трубу для контейнера с учетом требуемого для тампонирования объема смеси. Затем в соответствии с длиной выбранной колонковой трубы регулируют длину гибкой связи. После заправки рабочей полости контейнера тампонажным раствором соединяют пульсатор с контейнером, опускают устройство в скважину к зоне тампонирования, расположенной над естественным или искусственным забоем, и по достижении забоя нагружают осевым усилием с опорой трубы на забой. Под действием указанного усилия упругие элементы пакера сжимаются и перекрывают ствол скважины над тампонируемым интервалом, после чего приводят во вращение буровую колонну, на которой подвешено устройство, и включают буровой насос, соединенный с буровой колонной. Промывочная жидкость поступает по буровой колонне к подводящему каналу и из него к питающему соплу, на выходе которого формируется напорная струя. В процессе вращения дефлектора ось каждого из его отверстий периодически (при каждом обороте дефлектора) сходится и расходится с общей осью сопел, вызывая в нем импульсное повышение давления или импульсное падение давления в сопле. Вырабатываемое пульсатором пульсирующего давления передается в надпоршневую полость контейнера и через поршень воздействует на тампонажный раствор, находящийся в рабочей полости. Под воздействием пульсирующего давления со стороны тампонажного раствора пробка выбивается из нижнего отверстия контейнера, после чего поршень, на который действует пульсирующее давление со стороны надпоршневой полости, вытесняет тампонажный раствор из рабочей полости контейнера через сливные отверстия в тампонируемую зону скважины. Подачу рабочей жидкости прекращают, а тампонажное устройство поднимают на поверхность. При этом затвор и детали пакера возвращаются в исходное положение под действием упругих сил пружины затвора и уплотнительных элементов пакера.
Недостатками способа являются низкая надежность изоляции зоны поглощения, ввиду оставления в скважине после срочного подъема устройства незатвердевшей тампонажной смеси под воздействием скважинной жидкости и гидростатического давления. В результате этого, происходит размыв тампонажной смеси и ее поглощение в пласт, а также существует опасность прихвата устройства и колонны бурильных труб ввиду превышения давления под пакером и вероятности выхода тампонажной смеси в пространство выше пакера, а также сложность осуществления способа.
Известно устройство для изоляции зоны поглощения, устанавливаемое в скважине совместно с пакером и включающее цилиндрический полый корпус с посадочным гнездом и подпружиненным хвостовиком, выполненным в виде патрубка, образующего с корпусом кольцевую полость, с поршнем в верхней её части, седлом с фрезерованными пазами и запорным элементом в виде шара (патент RU № 2067155, МПК E21B 33/13, опубл. 27.09.1996 г., Бюл. № 27).
Известно устройство для изоляции зоны поглощения, включающее короткий хвостовик пакера, дополнительно оборудованный седлом с возможностью перекрытия трубного пространства путем установки пробки (патент RU № 55856, МПК E21B 33/12, опубл. 27.08.2006 г., Бюл. № 24).
Общим недостатком этих устройств является низкая надежность изоляции зоны поглощения, ввиду проблематичности полного и равномерного замещения бурового раствора тампонажным составом в интервале под пакером и большие затраты времени и средств на изоляционные работы.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для изоляции зоны поглощения, включающее трубчатый корпус, заполненный тампонажной смесью, верхний патрубок, пакер, продавочную пробку и разрушаемый элемент. Устройство дополнительно содержит поршень, разделяющий внутренний объем контейнера на надпоршневую и рабочую полости, последняя из которых заполнена тампонажным раствором, опорную трубу со сливными отверстиями на верхнем конце, соединенном с нижним концом контейнера, и установленный над контейнером струйный пульсатор, содержащий корпус с осевым каналом и сливными окнами, верхний переходник с подводящим каналом, установленный с возможностью вращения относительно оси корпуса, нижний переходник, соединяющий корпус с контейнером, питающее и приемное сопла, размещенные в осевом  канале  корпуса  эксцентрично относительно  его оси  и соосно друг с другом и гидравлически связанные соответственно с каналом и полостью, и дефлектор, выполненный в виде диска с отверстиями,   размещенный  в  корпусе  между питающим  и приемным соплами (патент RU № 2085699, МПК E21B 27/02, опубл. 27.07.1997 г., Бюл. № 21). Устройство снабжено пакером, выполненным в виде набора упругих уплотнительных элементов и разделительных колец и буровой коронкой, препятствующей вращению опорной трубы относительно забоя скважины. Устройство снабжено сигнализатором окончания рабочего хода поршня с использованием регулируемой гибкой связи.
Недостатками этого устройства являются низкая надежность изоляции зоны поглощения, ввиду оставления в скважине после срочного подъема устройства незатвердевшей тампонажной смеси под воздействием скважинной жидкости и гидростатического давления. В результате этого, происходит размыв тампонажной смеси и ее поглощение в пласт, а также существует опасность прихвата устройства и колонны бурильных труб ввиду превышения давления под пакером и вероятности выхода тампонажной смеси в пространство выше пакера, а также сложность изготовления и применения устройства.
Техническими задачами предлагаемого изобретения являются:
1. Повышение успешности работ, сокращение затрат времени и средств при изоляции зоны поглощения в бурящейся скважине за счет использования самоуплотняющегося пакера, а также за счет использования при спуске в скважину устройства для изоляции зоны поглощения (УИЗП) электромагнитного разъединителя на геофизическом кабеле.
2. Немедленная предварительная автоматическая изоляция зоны поглощения сразу после спуска УИЗП за счет совместной работы самоуплотняющегося пакера и продавочной пробки.
3. Гарантированное предотвращение прорыва тампонажной смеси выше пакера при продавке за счет синхронной работы самоуплотняющегося пакера и продавочной пробки.
4. Предотвращение размыва закачиваемой тампонажной смеси буровым раствором, находящимся в скважине в интервале зоны поглощения, за счет закачивания тампонажной смеси снизу-вверх при последовательном вытеснении бурового раствора, начиная с забоя, а также за счет уменьшения до минимума объема бурового раствора в указанном интервале путем вытеснения его устройством, имеющим максимальный расчетный диаметр и перекрывающим большую часть объема скважины.
5. Повышение качества изоляционных работ за счет синхронной работы самоуплотняющегося пакера и продавочной пробки и оставления тампонажной смеси после продавки в зону поглощения в полном динамическом покое и равновесии воздействующих на него давлений.
6. Предотвращение опасности забуривания нового ствола за счет получения в зацементированном интервале скважины направляющего (пилотного) ствола и уменьшения объема разбуриваемого цемента после ОЗЦ за счет освобождения центрального канала устройства от цемента.
7. Возможность проведения изоляции зоны поглощения без проведения предварительных изоляционных работ и при любой интенсивности поглощения.
Технические задачи решаются способом изоляции зоны поглощения в строящейся скважине, включающим определение интервала поглощения, объема тампонажной смеси, сборку устройства для изоляции зоны поглощения, заправку тампонажной смесью, спуск устройства в скважину к зоне тампонирования, перекрытие ствола скважины над тампонируемым интервалом, вытеснение тампонажной смеси в зону поглощения.
Новым является то, что на устье скважины собирают устройство для изоляции зоны поглощения снизу вверх, включающее направляющий башмак с промывочными отверстиями закрытыми пластмассовыми пробками конической формы и установленной на нем разрушаемой диафрагмой, трубчатый корпус с центраторами в виде разбуриваемой трубы, заливают в трубчатый корпус устройства тампонажную смесь, присоединяют верхний патрубок с установленным на нем самоуплотняющимся пакером и центратором, и продавочной пробкой, установленной в трубчатом корпусе, соединяют верхний патрубок с электромагнитным разъединителем и спускают устройство в скважину на геофизическом кабеле до забоя, контролируют скорость и глубину спуска, при этом перекрывают зону поглощения корпусом устройства, а самоуплотняющийся пакер размещают на уровне кровли зоны поглощения, перекрывая затрубное пространство скважины, отсоединяют устройство от электромагнитного разъединителя и извлекают электромагнитный разъединитель из скважины на геофизическом кабеле, собирают компоновку низа бурильной колонны и спускают её в скважину на бурильных трубах до уровня жидкости в скважине, буровым насосом заполняют промывочной жидкостью весь интервал скважины выше устройства для изоляции зоны поглощения, при этом самоуплотняющийся пакер и продавочная пробка внутри устройства работают синхронно и изолируют зону поглощения от остальной части скважины, поднимают компоновку низа бурильной колонны выше башмака кондуктора и закрывают превентор скважины, присоединяют цементировочный агрегат к манифольду насоса буровой установки и закачивают промывочную жидкость в скважину через бурильные трубы, разрушают диафрагму устройства, производят продавку тампонажной смеси из устройства в интервал зоны поглощения до получения давления «стоп», при этом задавливают тампонажную смесь в пласт, открывают превентор, оставляют скважину на технологическую выдержку на время ожидания затвердевания цемента, разбуривают затвердевший цемент вместе с устройством для изоляции зоны поглощения с использованием направляющего ствола, полученного внутри трубчатого корпуса устройства при продавке тампонажной смеси и продолжают углубление скважины в штатном режиме.
Технические задачи решаются устройством для изоляции зоны поглощения встроящейся скважине, включающим трубчатый корпус, заполненный тампонажной смесью, верхний патрубок, пакер, продавочную пробку и разрушаемый элемент.
Новым является то, что нижняя часть трубчатого корпуса соединенапри помощи резьбового соединения с направляющим башмаком, выполненным с промывочными отверстиями закрытыми пластмассовыми пробками конической формы, и установленной на нем разрушаемой диафрагмой, в верхней части трубчатого корпуса размещена продавочная пробка, закрепленная на срезных крепежных элементах, и соединена с верхним патрубком при помощи резьбового соединения, верхний патрубок служит для посадки и фиксации центратора и самоуплотняющегося пакера,  внутри верхней части патрубка выполнена расточка,сужающаяся сверху вниз с кольцевой проточкой, обеспечивающей возможность фиксации электромагнитного разъединителя, соединенного с геофизическим кабелем.
Также новым является то, что трубчатый корпус выполнен разбуриваемым и снабжен центраторами.
Способ осуществляют в следующей последовательности.
Определяют интервал поглощения и необходимый объем тампонажной смеси.
Далее собирают устройство для изоляции зоны поглощения (УИЗП) снизу вверх, включающее направляющий башмак с промывочными отверстиями закрытыми пластмассовыми пробками конической формы и установленной на нем разрушаемой диафрагмой, корпус с центраторами в виде разбуриваемой трубы.
Затем заливают в трубчатый корпус устройства тампонажную смесь. Присоединяют верхний патрубок с установленным на нем самоуплотняющимся пакером и центратором, и продавочной пробкой, установленной в корпусе. Соединяют верхний патрубок с электромагнитным разъединителем и спускают собранное устройство в скважину на геофизическом кабеле до забоя, контролируют скорость и глубину спуска, при этом перекрывают зону поглощения корпусом устройства, а пакер размещают на уровне кровли зоны поглощения. Сразу после спуска УИЗП, зона поглощения оказывается изолированной между самоуплотняющимся пакером, который закрывает зону сверху, и продавочной пробкой, которая закрывает зону от воздействия снизу.
Отсоединяют устройство от электромагнитного разъединителя и извлекают электромагнитный разъединитель из скважины на геофизическом кабеле. Собирают компоновку низа бурильной колонны для разбуривания устройства после ожидания затвердевания цемента и спускают её в скважину на бурильных трубах до уровня жидкости в скважине. Буровым насосом заполняют промывочной жидкостью весь интервал скважины выше устройства для изоляции зоны поглощения. При этом затрубное пространство скважины перекрывается самоуплотняющимся пакером,который с продавочной пробкой внутри устройства работают синхронно и изолируют зону поглощения от остальной части скважины. Поднимают компоновку низа бурильной колонны выше башмака кондуктора и закрывают превентор скважины. Далее присоединяют цементировочный агрегат к манифольду насоса буровой установки и закачивают промывочную жидкость в скважину через бурильные трубы, при этом давление в скважине выше самоуплотняющегося пакера и продавочной пробки будет подниматься. Разрушают диафрагму устройства, производят продавку тампонажной смеси из устройства в интервал зоны поглощения до получения давления «стоп», при этом задавливают тампонажную смесь в пласт. Открывают превентор, оставляют скважину на технологическую выдержку на время ожидания затвердевания цемента. Разбуривают затвердевший цемент вместе с устройством для изоляции зоны поглощения с использованием направляющего ствола, полученного внутри трубчатого корпуса устройства при продавке тампонажной смеси, и продолжают углубление скважины в штатном режиме.
На фиг. изображено устройство для осуществления изоляции                                                                     зоны поглощения в строящейся скважине в продольном разрезе.
Устройство включает сборный разбуриваемый трубчатый корпус 1 с центраторами (на фиг. не показаны), заполненный расчетным количеством тампонажной смеси 2, направляющий башмак 3 с установленной на нем диафрагмой 4, разрушаемой при заданном гидравлическом давлении, верхний патрубок 5 с установленным на нем, например, самоуплотняющимся пакером 6 и центратором 7, служащим также для присоединения, например, электромагнитного разъединителя 8, спускаемого на геофизическом кабеле 9, а также продавочную пробку 10, установленную в трубчатом корпусе 1.
Устройство для изоляции зоны поглощения работает следующим образом.
После вскрытия бурением зоны поглощения и тщательной промывки забоя, бурильный инструмент полностью извлекают из скважины.  Устройство необходимой длины и диаметра собирают из разбуриваемых, например, стеклопластиковых труб и подвешивают на устье скважины. Также на устье скважины,при подготовке устройства к спуску, устанавливают пакер. В скважине пакер срабатывает автоматически. Заливают в трубчатый корпус 1 устройства расчетное количество тампонажной смеси 2, исходя из объема зоны поглощения: ее длины и объема погонного метра заколонного пространства, устанавливают в нем продавочную пробку 10, закрепленную на срезных элементах, и подсоединяют, например, электромагнитный разъединитель 8, подвешенный на геофизическом кабеле 9.
Спускают устройство в скважину до забоя на геофизическом кабеле 9, контролируя скорость и глубину спуска, отсоединяют устройство, а геофизический кабель 9 с электромагнитным разъединителем 8 поднимают из скважины. Для предотвращения преждевременного разрушения диафрагмы 4 при гидроударе, промывочные отверстия башмака закрывают пластмассовыми пробками конической формы (на фиг. не показаны), легко выталкиваемыми в последующем внутренним давлением.
Устройство по длине должно перекрывать зону поглощения.Интервал перекрытия зоны поглощения зависит от ее характеристик и глубины залегания относительно забоя. Пакер 6 должен находиться в номинальном (близком к диаметру долота) участке в кровле зоны. Далее собирают компоновку низа бурильной колонны (КНБК) для разбуривания устройства после ожидания затвердевания цемента и спускают её в скважину на бурильных трубах до уровня жидкости в скважине, буровым насосом заполняют весь интервал скважины выше устройства промывочной жидкостью, использованной при бурении скважины до данного момента. При этом самоуплотняющийся пакер 6 автоматически перекрывает затрубное пространство скважины при уже закрытом продавочной пробкой 10 трубном пространстве.
Чтобы сократить материальные и временные затраты на строительство скважин и увеличить их качество и надежность, требуется как можно быстрее изолировать встречающиеся при их углублении зоны поглощения. Необходимо закрыть «брешь» в скважине еще до начала закачки в нее изолирующих материалов и тампонажной смеси. Данная технология позволяет быстро и без больших затрат, закрыв зону поглощения одновременно в кровле и подошве, закачать в нее тампонажную смесь, сохранив ее качество, не «загоняя» ее в пласт бесконтрольно и, главное, создать в осложненной зоне наиболее благоприятные (максимально спокойные, равновесные) условия для твердения тампонажной смеси.  При этом применяются два простых элемента оснастки: самоуплотняющийся пакер и продавочная пробка. Достичь желаемого позволяет их одновременная, параллельная работа.
При этом зона поглощения полностью изолируется от остальной части скважины. После появления промывочной жидкости на устье скважины, поднимают КНБК выше башмака кондуктора (для предотвращения прихвата бурильной колонны в открытом стволе) и закрывают превентор скважины (на фиг. не показаны). Присоединяют цементировочный агрегат к манифольду насоса буровой установки и плавно закачивают промывочную жидкость в скважину через бурильные трубы. При этом давление в скважине выше самоуплотняющегося пакера 6 и продавочной пробки 10 будет подниматься. После разрушения диафрагмы 4 устройства, производят продавку тампонажной смеси из устройства в интервал зоны поглощения при минимальном давлении и расходе жидкости до получения давления «стоп». При задавливании тампонажной смеси в пласт снизу, промывочная жидкость, находящаяся в затрубном пространстве устройства в остальном интервале зоны поглощения, будет уходить в пласт, освобождая место для тампонажной смеси. Ввиду того, что давление в скважине превышает пластовое, тампонажная смесь будет устремляться в направлении пласта, заполняя затрубное пространство устройства и трещины пласта. Излишек тампонажной смеси уйдет в пласт, не поднимаясь выше самоуплотняющегося пакера 6, т. к. выше самоуплотняющегося пакера 6 давление бурового раствора не уступает давлению ниже пакера, а за счет динамики движения жидкостей, быстрой фильтрации в пласт и поглощения излишков бурового и тампонажного раствора, давление выше самоуплотняющегося пакера 6 будет несколько выше. Кроме того, расчетное количество тампонажной смеси должно быть необходимым и достаточным для перекрытия интервала зоны поглощения, без больших излишек, так как объем тампонажной смеси, заполнившей затрубное пространство устройства, после ухода его излишков в пласт при закачке, далее не будет уменьшаться за счет поглощения в пласт ввиду быстрого выравнивания давлений в скважине и пласте. После завершения продавки тампонажной смеси из устройства в интервал зоны поглощения и быстрого выравнивания давлений, создаются благоприятные условия для спокойного, без внешних деструктивных воздействий твердения тампонажной смеси, что способствует   надежной изоляции зоны поглощения бурового раствора. Далее открывают превентор и оставляют скважину на время ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ). Спускают бурильную компоновку, разбуривают затвердевший цемент вместе с устройством, с использованием направляющего ствола, полученного внутри трубчатого корпуса 1 устройства при продавке тампонажной смеси и продолжают углубление скважины в штатном режиме. Успешность проведенных работ по изоляции зоны поглощения определяют по уровню циркуляции бурового раствора и, при необходимости, путем гидродинамических исследований ствола скважины. В случае обнаружения повторного поглощения бурового раствора после разбуривания цементного моста вместе с устройством для изоляции зоны поглощения, вышеописанные изоляционные работы повторяют.
Предлагаемые способ и устройство позволяют повысить успешность изоляции зон поглощения в бурящейся скважине и сократить затраты времени и средств на проведение указанных работ.