專利名稱：封堵鉆探井孔吸收層的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬采礦工程領域，更確切地說，是封堵鉆探井孔中吸收層的方法及其實施裝置。
本發(fā)明適合于在采油、采礦工業(yè)部門中鉆探油井和氣井(天然氣出氣孔)時應用。
已公知的封堵深井中吸收層的方法(見，例如，КРЬIJIОВВ.N.“深井吸收層的封堵-NзоляПNяпотлошаЮшNхпластоввтлубокNхскважNнах，”Недра，смосква)，1980，P.258～259)，歸結為從井口向鉆桿注入止水泥漿。同止水泥漿一起，運輸充填料、裝在聚乙稀樹脂或橡膠容器內的凝固劑或速凝劑。當從鉆桿出來時，借助刀片破開容器包皮，使凝固和硬化過程產生加速的附加配料進入止水泥漿。在泥漿凝固和硬化過程加速劑的作用下，止水泥漿的流變和結構-機械性質的變化不是在瞬間發(fā)生的，而是在一定時期內變化的，因此止水泥漿沿鉆井井筒低于鉆桿處和在吸收層處運動過程中，不可避免地同鉆井中的沖洗液和吸收層中的礦層液體相混合，因為止水泥漿主要沿其最大的泄放通道進入吸收層。止水泥漿在很大程度上失去了本身的止水性能，這就降低封堵鉆井吸收層的質量。
已公知的鉆井灌注水泥法(見，例如，蘇聯(lián)發(fā)明人證書No.1055856)歸結為預先沖洗鉆井，然后從井口向鉆桿灌注止水泥漿，通過在鉆桿出口處離心分離止水泥漿的方法，獲得大密度相和小密度相，加快止水泥漿的凝固和硬化過程。止水泥漿獲得旋轉運動，然后降入鉆井的(鉆)桿外間隙。旋轉的止水泥漿流在升向井口時，獲得附加的轉速增量。在井壁和分離器最大外徑之間的最小環(huán)形斷面區(qū)，止水泥漿的轉速達到最大值。因此，造成對井壁增高的壓力。在這樣壓力作用下，止水泥漿分離-分層，形成具有不同水灰比的止水泥漿層。在井壁周邊形成水灰比小的止水泥漿層-大密度的＊，在中央范圍形成水灰比大的止水泥漿層-小密度的＊＊。靠著漿流的運動，脫開中央流，由此而保證可以在吸收層區(qū)域直接調節(jié)水灰比，其中包括在封堵具有高的液體引流性的吸收層時的情況。
在所給方法中不規(guī)定阻擋具有小密度止水泥漿的向下運動。同時由于沿止水泥漿流行程方向有橫斷面向上增長呈轉動拋物面形狀的外罩，小密度止水泥漿的上升運動困難。因此，大密度止水泥漿相重新同小密度止水泥漿相激烈混合，這導致降低封堵吸收層的效果。在封堵高透水性吸收層時，大密度和小密度止水泥漿相產生最厲害的混合。
公知的還有向鉆井灌注水泥的裝置(蘇聯(lián)發(fā)明人證書No.1055856)，它含有藉助于轉接管同鉆桿下端連接的主體，主體有軸向溝道，并至少有一個為分離止水泥漿的側向循環(huán)溝道。循環(huán)溝道沿螺旋線方向做在主體外表面，并通過軸向溝道同鉆井的桿外間隙連接，在桿外間隙處產生止水泥漿的離心分離。主體還有外罩，其外表面高于側向循環(huán)溝道，做成橫斷面向上增長的轉動拋物面形狀。
為了達到止水泥漿流有效地轉動，須要在螺旋循環(huán)溝道內造成很大的壓力降，為此這些溝道的長度必需很大，橫斷面必需很小，這樣使得制造工藝性差，對于水泥灌注設備(地面構架、鉆桿)的要求極嚴，并增加封堵吸收層進行工作的危險性。
在井壁和做成拋物線形狀的裝置外罩之間、逐漸向上變窄的環(huán)形溝道中，止水泥漿流的橫斷面大大減小，這引起增大的擾流情況。這種擾流障礙止水泥漿的離心分離。除此，在鉆井桿外間隙內，止水泥漿上升流橫斷面的減小導致對吸收層壓力的增大，這就限制提高止水泥漿流轉速的提高(尤其是在封堵高透水性吸收層時)，加劇小密度止水泥漿相向下的運動，隨后，此相物滲入吸收層和同大密度止水泥漿相物混合。
在完成這種具有一個循環(huán)通道的裝置時，對設備不實現(xiàn)動力平衡，就不能保證裝置在鉆井中穩(wěn)定的同心位置。
本發(fā)明的原理是，提出創(chuàng)立一種封堵鉆井中吸收層的方法以及實現(xiàn)這種方法的裝置。在這種裝置中，有個兩相止水泥漿中的一相的排出口，它允許提高封堵吸收層的質量。
這是由以下情況達到的。封堵鉆井中吸收層的方法歸結于從鉆探井口向鉆桿灌注止水泥漿，在鉆桿出口處，用離心分離止水泥漿的方法獲得大密度相和小密度相，加速止水泥漿的凝固和硬化過程，特征在于，分離出來的小密度止水泥漿相沿著高于吸收層吸收區(qū)的鉆井桿外間隙被引向井口。
這個工作還用下面方法達到。在實現(xiàn)封堵吸收層方法的裝置中，包括借助于轉接管同鉆桿下端相連接的主體，其側面有止水泥漿的循環(huán)通道。根據本發(fā)明，主體有上部件，呈擴散器形狀，并兩端有圓柱段;主體有下圓柱部件，其下端具有與主體同軸線布置的帶端頭的套管。同時為主水泥漿循環(huán)的上述溝道做成沿擴散器下圓柱段的圓周均勻分布，并是切向螺旋形狀。擴散器上圓柱段有孔，排出管的彎曲端置于孔中，排出管的位置與主體同軸線，并同套管連通。
為了改善小密度止水泥漿上升相流的通過條件和阻止小密度止水泥漿相通入吸收層，宜符合下面關系D2＜D3＜D1，其中D1、D2、D3分別為主體下部件、擴散器上圓柱段和轉接管的直徑。
為了進一步改善小密度止水泥漿上升相流的通過條件，在轉接管的外圓柱面固定幾塊豎導板。
應用本方法可保證提高封堵吸收層的質量，簡化封堵吸收層的過程，特別是在穿過有高的不勻質性和透水性的裂縫谷洞巖的巖層進行鉆井時強烈吸收溶漿的區(qū)域。
現(xiàn)在用封堵鉆井中吸收層的方法和實現(xiàn)這種方法的裝置的實施方案以及示圖來進一步對本發(fā)明進行解釋如下

圖1表示根據本發(fā)明的封堵鉆井中吸收層的裝置(局部縱向剖面);
圖2為圖1中Ⅱ-Ⅱ線的橫斷面。
實現(xiàn)封堵鉆井中吸收層方法的裝置包括主體1(圖1＊)，它通過轉接管2同鉆桿4的下端3相連接，下端3位于吸收層6水平上的鉆井5中。主體1有上部件7和下圓柱部件8。上部件7做成擴散器形狀9，它有兩個圓柱段10和11，分別在擴散器9的上端和下端。
在上圓柱段10的側壁12中有孔13。在下圓柱段11的側壁內有為止水泥漿循環(huán)的溝道14(圖1、2＊)，是切向螺旋形的，并沿圓柱段11的圓周均勻分布。在溝道14的出口處，在下圓柱段11的外表面上固定導向擋板15。
具有止水泥漿循環(huán)溝道14和導向擋板15的擴散器9(圖1)是這種裝置的分離部件。
主體1下圓柱部件8的外表面有倒角16，它保證裝置在鉆井5中通過。在主體1件8的下端安裝帶端頭18的套管17，其軸心線同主體1的軸心線19相重合。裝置還包括與主體1同軸線布置的、小密度止水泥漿相21的排出管20，其彎曲的一端22布置在孔13中，而第二端23同套管17相連接。
主體1的下部件8具有套管17、端頭18和排出管20，排出管20的彎曲端穿過擴散器9的圓柱段10上的孔13。部件8是這種裝置的噴射部件。
套管17、端頭18和排出管20的內徑d1、d2和d3之間的關系如下d1＞d3＞d2這樣的關系保證需要的止水泥漿分離度、充分的噴射效應、在封堵過程開始時從鉆井5噴射沖洗液時的流體阻力最小，小密度止水泥漿相21和從吸收層6進入鉆井5的礦層液體，主要從裝置下面的鉆井5的中央區(qū)，進入高于吸收層6的桿外間隙。
排出管20的外徑D3根據下面條件選擇為了止水泥漿穿過擴散器9的上圓柱段10的內腔，朝著切向螺旋溝道14的方向運動，要有足夠的通過斷面。
外徑D1、D2和D3分別對應于主體1的下部件8、擴散器9的上圓柱段10和轉接管2，它們的關系為D2＜D3＜D1。
這個關系是根據下面條件選擇的使得在井壁25同主體1下部件8的外表面、同擴散器9上圓柱段10的外表面，以及同轉接管2外表面之間的間隙δ1、δ2和δ3，能保證為實現(xiàn)止水泥漿分離過程必需的環(huán)形空間，在擴散器9上圓柱段10的徑向孔13范圍內造成降低的壓力，以實現(xiàn)在裝置下方、鉆井5內液體的噴射過程，并阻止小密度止水泥漿相21通過徑向間隙δ1進入吸收層6范圍的下降運動。
為了改善小密度止水泥漿相流21上升至鉆井5井口的通過條件，在轉接管2的外圓柱面上固定豎導板26。
封堵鉆井中吸收層的方法歸結如下在鉆井5(圖1)的井口區(qū)，用水泥攪拌機(圖中未表示)將水泥和水配制成止水泥漿，借助于水泥車的泵(圖中未表示)將止水泥漿自鉆井5井口注入鉆桿4內。止水泥漿通過鉆桿4、主體1的上部件7和下部件8。止水泥漿流以高速通過止水泥漿的循環(huán)溝道14和導向擋板15(圖2)，在擴散器9的外壁7同鉆井5的井壁25之間的桿外間隙24(圖1)中獲得猛烈的旋轉運動。固態(tài)相止水泥漿27的密度比小密度液態(tài)相止水泥漿21(例如水)的密度大好多倍，在離心力作用下，固態(tài)粒子被拋到桿外間隙24的周圍而至井壁25處。液相21主要占據擴散器9外壁附近的范圍。隨著止水泥漿轉動半徑增大，止水泥漿中的水泥濃度增加。
止水泥漿相27的密度大，位于鉆井5的井壁25處，呈層狀，圖1表示在鉆井5的井壁25處的水泥呈層狀。在重力作用下，大密度止水泥漿相27通過在主體1下部件8的外表面同鉆井5的井壁25之間的環(huán)形間隙δ1，力圖向下入吸收層6(如箭頭所示)，并具有快速凝固和硬化的性質，同礦層液體幾乎不發(fā)生混合。
這樣一來，加快止水泥漿的凝固和硬化過程。
小密度止水泥漿相層21擠入高于擴散器9的桿外間隙24。
當止水泥漿在鉆井5的桿外間隙24處猛烈旋轉時，在擴散器9上圓柱段的孔13范圍內造成低壓區(qū)，因此分離出的小密度止水泥漿相21沿著高于吸收層6區(qū)域的鉆井5的桿外間隙24，朝向鉆井5的井口上去。
在封堵吸收層6的開始階段，以所述方式噴射沖洗液和礦層液，這些液體會同大密度止水泥漿相27混合。接著發(fā)生小密度止水泥漿相21沿導板26朝鉆井5的井口噴射。
在小密度止水泥漿相21向下通過環(huán)形間隙δ1時，此相由于猛烈旋轉而占據鉆井5的中央范圍，不可避免地穿過端頭18、套管17、排出管20和擴散器9上圓柱段10的孔13，噴入鉆井5的桿外間隙24而至井口。
在裝置的出口處，在止水泥漿離心分離區(qū)，以及在吸收層6區(qū)域和在吸收層6本身內，止水泥漿幾乎不同沖洗液和礦層液混合。止水泥漿流具有彈性，對鉆井5的井壁造成余壓，這促使它們同礦層液體更加均勻的正面交代作用。獲得大密度和小密度止水泥漿相27和21，以及獲得噴射小密度止水泥漿相21的泥漿等級決定封堵吸收層6過程的效果。分別用分離系數(shù)和噴射系數(shù)來表征。
可以調節(jié)分離系數(shù)和噴射系數(shù)，以及止水泥漿流的轉速和對于鉆探井壁的余壓，作為調節(jié)自鉆井5的井口供入的止水泥漿參數(shù)的可控方法，進行封堵吸收層的過程。
在止水泥漿的成分中，除了水泥和水，還可加入摻合料、止水泥漿凝固加速劑、聚合材料或其他的在吸收層6中凝固的材料，其中，在止水吸收溝道時，明露10mm以上。
按下式計算止水泥漿的分離系數(shù)K1=ρ1-ρ2ρ1-ρ3(1)]]>式中ρ1-初始止水泥漿的密度;
ρ2-小密度噴射止水泥漿相21的密度;
ρ3-拌合水的密度。
按下式計算止水泥漿相21的噴射系數(shù)K2= (Q2)/(Q1) (2)式中Q1-從鉆井5的井口進入的止水泥漿的流量;
Q2-噴射止水泥漿的流量。
當已規(guī)定鉆井5的直徑和吸收層6的特性時，分離系數(shù)和噴射系數(shù)取決于裝置的分離部件和噴射部件的徑向尺寸、初始止水泥漿的密度、自鉆井5的井口供入止水泥漿的流量，并通過實驗方法確定。
吸收層的特性包括吸收層的厚度、溝道在厚度方向的分布情況、溝道的明露性，以及單位接受性。單位接受性按 (△Q)/(Ph) 來確定，其中△Q為吸收層中液體的流量，P為鉆井中的壓力，h為吸收層的厚度。
在分離系數(shù)和噴射系數(shù)已知的情況下，按下式求由于止水泥漿相離心分離而獲得的大密度ρ4ρ4= (1-K2[1-K1(1-β)])/(1-Ka) ρ1(3)式中β= (a +m1)/(1+m1) (4)a= (ρ3)/(ρ4) (5)m1為初始止水泥漿的水灰比。
ρ5為干水泥的密度。
按下式計算初始止水泥漿的密度ρ1= ((1+m1)ρ3ρ5)/(ρ3+m1ρ5) (6)根據鉆井5的直徑和吸收層6的特性，確定裝置的參數(shù)和水灰比，以及初始止水泥漿的密度。
根據鉆井5的直徑和吸收層6的特性，確定裝置的幾何尺寸、擴散器9切向螺旋溝槽14的數(shù)量和直徑、自鉆井5的井口供入的止水泥漿的流量、以及分離系數(shù)和噴射系數(shù)。用實驗方法確定系數(shù)K1和K2同止水泥漿流量Q1之間的關系。
從止水泥漿不向吸收層6深處漫流和造成密集可靠的水泥墻板的條件出發(fā)，根據吸收層6的特性，選擇大密度止水泥漿相的必需水灰比m2。在m2＝0.2時，幾乎由全部止水泥形成流動性小、濃厚、高速凝固的糊膏。
由下式計算大密度止水泥漿相27的密度ρ4= ((1+m2)ρ3ρ5)/(ρ3+m2ρ5) (7)由式(3)得初始止水泥漿必需密度ρ1的計算式ρ1= (1-K2)/(1-K2[1-K1(1-β)]) (8)由式(6)得初始止水泥漿的水灰比m1的計算式m1= ((ρ5-ρ1)ρ3)/((ρ1-ρ3)ρ5) (9)由止水泥漿流轉動而限定的、對鉆井5井壁的余壓值按下式計算P1= (Q1ρ1)/(2n2S2) (10)
式中n和S-分別為用于止水泥漿循環(huán)的切向螺旋溝槽14的數(shù)量和橫斷面積。
實例1在實施封堵吸收層方法時，測得下列參數(shù)從井口供入的止水泥漿流量Q1＝0.01m3/sec情況下，用容積法測得的向井口噴射的止水泥漿流量為Q2＝0.004m3/seco由密度ρ5＝3050kg/m3的波特蘭水泥(硅酸鹽水泥)，按水灰比m1＝0.5，配制成止水泥漿。拌和水的密度ρ3＝1000kg/m3。初始止水泥漿的密度ρ1＝1800kg/m3。用比重計測得噴射止水泥漿的密度ρ2＝1350kg/m3。
由式(1)和(2)，分別求得分離系數(shù)和噴射系數(shù)K1＝0.5625，K2＝0.4為了封堵具體的吸收層，必須在吸收層中獲得水灰比m2＝0.25的止水泥漿。
按式(7)求得m2＝0.25時的止水泥漿密度ρ4＝2163kg/m3按式(5)和(6)求得α＝0.3279，β＝0.5519按式(8)求得初始止水泥漿的必需密度ρ1＝1854kg/m3應按式(9)求得的水灰比配制初始止水泥漿，此比值為m1＝0.46當鉆井直徑D＝0.1905m、止水泥漿循環(huán)溝道的數(shù)量n＝2、溝道橫斷面積S＝1.77×10-4m2、止水泥漿流量Q1＝0.01m3/sec、初始止水泥漿的密度ρ1＝1900kg/m3時，由止水泥漿流旋轉所限定的對井壁的余壓值等于P＝1.37MPa(MPa為百萬帕)在應用本方法封堵鉆井中吸收層時，形成液相含量最少的更均勻的止水泥漿，由這種止水泥漿，在同吸收層的礦層液體有限接觸的條件下，形成勻質的低滲透性磚塊。它的小尺寸氣孔含量少，磚塊強度高和可塑性好。這種方法保證可較充分地更換沖洗液、置換鉆井近墻區(qū)來的礦泥、移置蜂窩和積水區(qū)，由此而提高封堵大厚度吸收層的效果和質量。在大厚度吸收層中，產生在吸收層底吸收止水泥漿，止水泥漿同從吸收層頂擠出的礦層液體相混合的情況。
實施這種方法的裝置，結構簡單、緊湊、制造工藝性好、工作可靠。
這種方法允許簡化封堵吸收層的程序，材料消耗減少50～66.7%，時間減少50～80%。
權利要求
1.封堵鉆井中吸收層的方法歸結于從鉆井(5)的井口向鉆桿(4)灌注止水泥漿，通過在鉆桿(4)出口處止水泥漿離心分離的方法，獲得大密度和小密度相(27、21)，在此情況下，產生加快止水泥漿的凝固和硬化過程，其特征在于，分離出來的小密度止水泥漿相(21)沿著高于吸收層(6)吸收區(qū)鉆井(5)的桿外間隙(24)，朝向鉆井(5)的井口。
2.實施封堵鉆井中吸收層方法的裝置，包括主體(1)，它藉助于轉接管(2)同鉆桿(4)的下端(3)相連，并在側面有止水泥漿循環(huán)用的溝道(14)，其特征在于，主體1有呈擴散器(9)形狀的上部(7)和下圓柱部分(8)，在擴散器兩端有圓柱段(10、11)，在下圓柱部分(8)的下端，與主體(1)同軸線地布置帶有端頭(18)的套管(17)，同時所述止水泥漿循環(huán)通道做在擴散器(9)的下圓柱段(11)上，并沿其圓周均布，為切向螺旋形狀，而在擴散器(9)的上圓柱段(10)上有孔(13)，孔中布置排出管(20)的彎曲端(22)，排出管(20)與主體1同軸線布置，并和套管(17)連通。
3.按照權利要求2的裝置，其特征在于，主體(1)下部件(8)的外徑D1、擴散器(9)的上圓柱段(10)的外徑D2，以及轉接管外徑D3之間的關系為D2＜D3＜D1。
4.按照權利要求2、3的裝置，其特征在于，轉接管(2)的外圓柱面上固定幾塊豎導板(26)。
全文摘要
封堵鉆井中吸收層的方法，其特征在于分離出來的小密度止水泥漿相沿著高于吸收層6吸收區(qū)的鉆井5的桿外間隙24引向鉆井5的井口。其實施裝置有主體1，主體的上部件7呈擴散器9形狀，在其上部件8下端有與主體1同軸線布置的套管17。在擴散器9的下圓柱段11上有止水泥漿循環(huán)溝道14，沿其周向均勻分布，并為切向螺旋形狀。在擴散器9的上圓柱段10上有孔13，孔中布置與主體1同軸的且與套管17連通的排出管20的彎曲端22。
文檔編號E21B33/10GK1039867SQ8710382
公開日1990年2月21日 申請日期1987年5月27日 優(yōu)先權日1987年5月27日
發(fā)明者維爾·法祖羅維奇·加利亞克巴羅夫, 拉希特·克海布洛維奇·薩尼科夫, 米德克哈特·拉克馬吐利奇·馬夫朱托夫, 利那特·格萊維奇·塞達科夫, 阿歷山德爾·塞曼諾維奇·弗民, 弗拉迪米爾·德米特里維奇·巴蘭諾夫斯基, 拉迪爾·阿姆利亞克荷維奇·加利耶夫 申請人:烏法石油研究所