专利名称：封堵钻探井孔吸收层的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属采矿工程领域，更确切地说，是封堵钻探井孔中吸收层的方法及其实施装置。
本发明适合于在采油、采矿工业部门中钻探油井和气井(天然气出气孔)时应用。
已公知的封堵深井中吸收层的方法(见，例如，КРЬIJIОВВ.N.“深井吸收层的封堵-NзоляПNяпотлошаЮшNхпластоввтлубокNхскважNнах，”Недра，смосква)，1980，P.258～259)，归结为从井口向钻杆注入止水泥浆。同止水泥浆一起，运输充填料、装在聚乙稀树脂或橡胶容器内的凝固剂或速凝剂。当从钻杆出来时，借助刀片破开容器包皮，使凝固和硬化过程产生加速的附加配料进入止水泥浆。在泥浆凝固和硬化过程加速剂的作用下，止水泥浆的流变和结构-机械性质的变化不是在瞬间发生的，而是在一定时期内变化的，因此止水泥浆沿钻井井筒低于钻杆处和在吸收层处运动过程中，不可避免地同钻井中的冲洗液和吸收层中的矿层液体相混合，因为止水泥浆主要沿其最大的泄放通道进入吸收层。止水泥浆在很大程度上失去了本身的止水性能，这就降低封堵钻井吸收层的质量。
已公知的钻井灌注水泥法(见，例如，苏联发明人证书No.1055856)归结为预先冲洗钻井，然后从井口向钻杆灌注止水泥浆，通过在钻杆出口处离心分离止水泥浆的方法，获得大密度相和小密度相，加快止水泥浆的凝固和硬化过程。止水泥浆获得旋转运动，然后降入钻井的(钻)杆外间隙。旋转的止水泥浆流在升向井口时，获得附加的转速增量。在井壁和分离器最大外径之间的最小环形断面区，止水泥浆的转速达到最大值。因此，造成对井壁增高的压力。在这样压力作用下，止水泥浆分离-分层，形成具有不同水灰比的止水泥浆层。在井壁周边形成水灰比小的止水泥浆层-大密度的＊，在中央范围形成水灰比大的止水泥浆层-小密度的＊＊。靠着浆流的运动，脱开中央流，由此而保证可以在吸收层区域直接调节水灰比，其中包括在封堵具有高的液体引流性的吸收层时的情况。
在所给方法中不规定阻挡具有小密度止水泥浆的向下运动。同时由于沿止水泥浆流行程方向有横断面向上增长呈转动抛物面形状的外罩，小密度止水泥浆的上升运动困难。因此，大密度止水泥浆相重新同小密度止水泥浆相激烈混合，这导致降低封堵吸收层的效果。在封堵高透水性吸收层时，大密度和小密度止水泥浆相产生最厉害的混合。
公知的还有向钻井灌注水泥的装置(苏联发明人证书No.1055856)，它含有藉助于转接管同钻杆下端连接的主体，主体有轴向沟道，并至少有一个为分离止水泥浆的侧向循环沟道。循环沟道沿螺旋线方向做在主体外表面，并通过轴向沟道同钻井的杆外间隙连接，在杆外间隙处产生止水泥浆的离心分离。主体还有外罩，其外表面高于侧向循环沟道，做成横断面向上增长的转动抛物面形状。
为了达到止水泥浆流有效地转动，须要在螺旋循环沟道内造成很大的压力降，为此这些沟道的长度必需很大，横断面必需很小，这样使得制造工艺性差，对于水泥灌注设备(地面构架、钻杆)的要求极严，并增加封堵吸收层进行工作的危险性。
在井壁和做成抛物线形状的装置外罩之间、逐渐向上变窄的环形沟道中，止水泥浆流的横断面大大减小，这引起增大的扰流情况。这种扰流障碍止水泥浆的离心分离。除此，在钻井杆外间隙内，止水泥浆上升流横断面的减小导致对吸收层压力的增大，这就限制提高止水泥浆流转速的提高(尤其是在封堵高透水性吸收层时)，加剧小密度止水泥浆相向下的运动，随后，此相物渗入吸收层和同大密度止水泥浆相物混合。
在完成这种具有一个循环通道的装置时，对设备不实现动力平衡，就不能保证装置在钻井中稳定的同心位置。
本发明的原理是，提出创立一种封堵钻井中吸收层的方法以及实现这种方法的装置。在这种装置中，有个两相止水泥浆中的一相的排出口，它允许提高封堵吸收层的质量。
这是由以下情况达到的。封堵钻井中吸收层的方法归结于从钻探井口向钻杆灌注止水泥浆，在钻杆出口处，用离心分离止水泥浆的方法获得大密度相和小密度相，加速止水泥浆的凝固和硬化过程，特征在于，分离出来的小密度止水泥浆相沿着高于吸收层吸收区的钻井杆外间隙被引向井口。
这个工作还用下面方法达到。在实现封堵吸收层方法的装置中，包括借助于转接管同钻杆下端相连接的主体，其侧面有止水泥浆的循环通道。根据本发明，主体有上部件，呈扩散器形状，并两端有圆柱段;主体有下圆柱部件，其下端具有与主体同轴线布置的带端头的套管。同时为主水泥浆循环的上述沟道做成沿扩散器下圆柱段的圆周均匀分布，并是切向螺旋形状。扩散器上圆柱段有孔，排出管的弯曲端置于孔中，排出管的位置与主体同轴线，并同套管连通。
为了改善小密度止水泥浆上升相流的通过条件和阻止小密度止水泥浆相通入吸收层，宜符合下面关系D2＜D3＜D1，其中D1、D2、D3分别为主体下部件、扩散器上圆柱段和转接管的直径。
为了进一步改善小密度止水泥浆上升相流的通过条件，在转接管的外圆柱面固定几块竖导板。
应用本方法可保证提高封堵吸收层的质量，简化封堵吸收层的过程，特别是在穿过有高的不匀质性和透水性的裂缝谷洞岩的岩层进行钻井时强烈吸收溶浆的区域。
现在用封堵钻井中吸收层的方法和实现这种方法的装置的实施方案以及示图来进一步对本发明进行解释如下
图1表示根据本发明的封堵钻井中吸收层的装置(局部纵向剖面);
图2为图1中Ⅱ-Ⅱ线的横断面。
实现封堵钻井中吸收层方法的装置包括主体1(图1＊)，它通过转接管2同钻杆4的下端3相连接，下端3位于吸收层6水平上的钻井5中。主体1有上部件7和下圆柱部件8。上部件7做成扩散器形状9，它有两个圆柱段10和11，分别在扩散器9的上端和下端。
在上圆柱段10的侧壁12中有孔13。在下圆柱段11的侧壁内有为止水泥浆循环的沟道14(图1、2＊)，是切向螺旋形的，并沿圆柱段11的圆周均匀分布。在沟道14的出口处，在下圆柱段11的外表面上固定导向挡板15。
具有止水泥浆循环沟道14和导向挡板15的扩散器9(图1)是这种装置的分离部件。
主体1下圆柱部件8的外表面有倒角16，它保证装置在钻井5中通过。在主体1件8的下端安装带端头18的套管17，其轴心线同主体1的轴心线19相重合。装置还包括与主体1同轴线布置的、小密度止水泥浆相21的排出管20，其弯曲的一端22布置在孔13中，而第二端23同套管17相连接。
主体1的下部件8具有套管17、端头18和排出管20，排出管20的弯曲端穿过扩散器9的圆柱段10上的孔13。部件8是这种装置的喷射部件。
套管17、端头18和排出管20的内径d1、d2和d3之间的关系如下d1＞d3＞d2这样的关系保证需要的止水泥浆分离度、充分的喷射效应、在封堵过程开始时从钻井5喷射冲洗液时的流体阻力最小，小密度止水泥浆相21和从吸收层6进入钻井5的矿层液体，主要从装置下面的钻井5的中央区，进入高于吸收层6的杆外间隙。
排出管20的外径D3根据下面条件选择为了止水泥浆穿过扩散器9的上圆柱段10的内腔，朝着切向螺旋沟道14的方向运动，要有足够的通过断面。
外径D1、D2和D3分别对应于主体1的下部件8、扩散器9的上圆柱段10和转接管2，它们的关系为D2＜D3＜D1。
这个关系是根据下面条件选择的使得在井壁25同主体1下部件8的外表面、同扩散器9上圆柱段10的外表面，以及同转接管2外表面之间的间隙δ1、δ2和δ3，能保证为实现止水泥浆分离过程必需的环形空间，在扩散器9上圆柱段10的径向孔13范围内造成降低的压力，以实现在装置下方、钻井5内液体的喷射过程，并阻止小密度止水泥浆相21通过径向间隙δ1进入吸收层6范围的下降运动。
为了改善小密度止水泥浆相流21上升至钻井5井口的通过条件，在转接管2的外圆柱面上固定竖导板26。
封堵钻井中吸收层的方法归结如下在钻井5(图1)的井口区，用水泥搅拌机(图中未表示)将水泥和水配制成止水泥浆，借助于水泥车的泵(图中未表示)将止水泥浆自钻井5井口注入钻杆4内。止水泥浆通过钻杆4、主体1的上部件7和下部件8。止水泥浆流以高速通过止水泥浆的循环沟道14和导向挡板15(图2)，在扩散器9的外壁7同钻井5的井壁25之间的杆外间隙24(图1)中获得猛烈的旋转运动。固态相止水泥浆27的密度比小密度液态相止水泥浆21(例如水)的密度大好多倍，在离心力作用下，固态粒子被抛到杆外间隙24的周围而至井壁25处。液相21主要占据扩散器9外壁附近的范围。随着止水泥浆转动半径增大，止水泥浆中的水泥浓度增加。
止水泥浆相27的密度大，位于钻井5的井壁25处，呈层状，图1表示在钻井5的井壁25处的水泥呈层状。在重力作用下，大密度止水泥浆相27通过在主体1下部件8的外表面同钻井5的井壁25之间的环形间隙δ1，力图向下入吸收层6(如箭头所示)，并具有快速凝固和硬化的性质，同矿层液体几乎不发生混合。
这样一来，加快止水泥浆的凝固和硬化过程。
小密度止水泥浆相层21挤入高于扩散器9的杆外间隙24。
当止水泥浆在钻井5的杆外间隙24处猛烈旋转时，在扩散器9上圆柱段的孔13范围内造成低压区，因此分离出的小密度止水泥浆相21沿着高于吸收层6区域的钻井5的杆外间隙24，朝向钻井5的井口上去。
在封堵吸收层6的开始阶段，以所述方式喷射冲洗液和矿层液，这些液体会同大密度止水泥浆相27混合。接着发生小密度止水泥浆相21沿导板26朝钻井5的井口喷射。
在小密度止水泥浆相21向下通过环形间隙δ1时，此相由于猛烈旋转而占据钻井5的中央范围，不可避免地穿过端头18、套管17、排出管20和扩散器9上圆柱段10的孔13，喷入钻井5的杆外间隙24而至井口。
在装置的出口处，在止水泥浆离心分离区，以及在吸收层6区域和在吸收层6本身内，止水泥浆几乎不同冲洗液和矿层液混合。止水泥浆流具有弹性，对钻井5的井壁造成余压，这促使它们同矿层液体更加均匀的正面交代作用。获得大密度和小密度止水泥浆相27和21，以及获得喷射小密度止水泥浆相21的泥浆等级决定封堵吸收层6过程的效果。分别用分离系数和喷射系数来表征。
可以调节分离系数和喷射系数，以及止水泥浆流的转速和对于钻探井壁的余压，作为调节自钻井5的井口供入的止水泥浆参数的可控方法，进行封堵吸收层的过程。
在止水泥浆的成分中，除了水泥和水，还可加入掺合料、止水泥浆凝固加速剂、聚合材料或其他的在吸收层6中凝固的材料，其中，在止水吸收沟道时，明露10mm以上。
按下式计算止水泥浆的分离系数K1=ρ1-ρ2ρ1-ρ3(1)]]>式中ρ1-初始止水泥浆的密度;
ρ2-小密度喷射止水泥浆相21的密度;
ρ3-拌合水的密度。
按下式计算止水泥浆相21的喷射系数K2= (Q2)/(Q1) (2)式中Q1-从钻井5的井口进入的止水泥浆的流量;
Q2-喷射止水泥浆的流量。
当已规定钻井5的直径和吸收层6的特性时，分离系数和喷射系数取决于装置的分离部件和喷射部件的径向尺寸、初始止水泥浆的密度、自钻井5的井口供入止水泥浆的流量，并通过实验方法确定。
吸收层的特性包括吸收层的厚度、沟道在厚度方向的分布情况、沟道的明露性，以及单位接受性。单位接受性按 (△Q)/(Ph) 来确定，其中△Q为吸收层中液体的流量，P为钻井中的压力，h为吸收层的厚度。
在分离系数和喷射系数已知的情况下，按下式求由于止水泥浆相离心分离而获得的大密度ρ4ρ4= (1-K2[1-K1(1-β)])/(1-Ka) ρ1(3)式中β= (a +m1)/(1+m1) (4)a= (ρ3)/(ρ4) (5)m1为初始止水泥浆的水灰比。
ρ5为干水泥的密度。
按下式计算初始止水泥浆的密度ρ1= ((1+m1)ρ3ρ5)/(ρ3+m1ρ5) (6)根据钻井5的直径和吸收层6的特性，确定装置的参数和水灰比，以及初始止水泥浆的密度。
根据钻井5的直径和吸收层6的特性，确定装置的几何尺寸、扩散器9切向螺旋沟槽14的数量和直径、自钻井5的井口供入的止水泥浆的流量、以及分离系数和喷射系数。用实验方法确定系数K1和K2同止水泥浆流量Q1之间的关系。
从止水泥浆不向吸收层6深处漫流和造成密集可靠的水泥墙板的条件出发，根据吸收层6的特性，选择大密度止水泥浆相的必需水灰比m2。在m2＝0.2时，几乎由全部止水泥形成流动性小、浓厚、高速凝固的糊膏。
由下式计算大密度止水泥浆相27的密度ρ4= ((1+m2)ρ3ρ5)/(ρ3+m2ρ5) (7)由式(3)得初始止水泥浆必需密度ρ1的计算式ρ1= (1-K2)/(1-K2[1-K1(1-β)]) (8)由式(6)得初始止水泥浆的水灰比m1的计算式m1= ((ρ5-ρ1)ρ3)/((ρ1-ρ3)ρ5) (9)由止水泥浆流转动而限定的、对钻井5井壁的余压值按下式计算P1= (Q1ρ1)/(2n2S2) (10)
式中n和S-分别为用于止水泥浆循环的切向螺旋沟槽14的数量和横断面积。
实例1在实施封堵吸收层方法时，测得下列参数从井口供入的止水泥浆流量Q1＝0.01m3/sec情况下，用容积法测得的向井口喷射的止水泥浆流量为Q2＝0.004m3/seco由密度ρ5＝3050kg/m3的波特兰水泥(硅酸盐水泥)，按水灰比m1＝0.5，配制成止水泥浆。拌和水的密度ρ3＝1000kg/m3。初始止水泥浆的密度ρ1＝1800kg/m3。用比重计测得喷射止水泥浆的密度ρ2＝1350kg/m3。
由式(1)和(2)，分别求得分离系数和喷射系数K1＝0.5625，K2＝0.4为了封堵具体的吸收层，必须在吸收层中获得水灰比m2＝0.25的止水泥浆。
按式(7)求得m2＝0.25时的止水泥浆密度ρ4＝2163kg/m3按式(5)和(6)求得α＝0.3279，β＝0.5519按式(8)求得初始止水泥浆的必需密度ρ1＝1854kg/m3应按式(9)求得的水灰比配制初始止水泥浆，此比值为m1＝0.46当钻井直径D＝0.1905m、止水泥浆循环沟道的数量n＝2、沟道横断面积S＝1.77×10-4m2、止水泥浆流量Q1＝0.01m3/sec、初始止水泥浆的密度ρ1＝1900kg/m3时，由止水泥浆流旋转所限定的对井壁的余压值等于P＝1.37MPa(MPa为百万帕)在应用本方法封堵钻井中吸收层时，形成液相含量最少的更均匀的止水泥浆，由这种止水泥浆，在同吸收层的矿层液体有限接触的条件下，形成匀质的低渗透性砖块。它的小尺寸气孔含量少，砖块强度高和可塑性好。这种方法保证可较充分地更换冲洗液、置换钻井近墙区来的矿泥、移置蜂窝和积水区，由此而提高封堵大厚度吸收层的效果和质量。在大厚度吸收层中，产生在吸收层底吸收止水泥浆，止水泥浆同从吸收层顶挤出的矿层液体相混合的情况。
实施这种方法的装置，结构简单、紧凑、制造工艺性好、工作可靠。
这种方法允许简化封堵吸收层的程序，材料消耗减少50～66.7%，时间减少50～80%。
权利要求
1.封堵钻井中吸收层的方法归结于从钻井(5)的井口向钻杆(4)灌注止水泥浆，通过在钻杆(4)出口处止水泥浆离心分离的方法，获得大密度和小密度相(27、21)，在此情况下，产生加快止水泥浆的凝固和硬化过程，其特征在于，分离出来的小密度止水泥浆相(21)沿着高于吸收层(6)吸收区钻井(5)的杆外间隙(24)，朝向钻井(5)的井口。
2.实施封堵钻井中吸收层方法的装置，包括主体(1)，它藉助于转接管(2)同钻杆(4)的下端(3)相连，并在侧面有止水泥浆循环用的沟道(14)，其特征在于，主体1有呈扩散器(9)形状的上部(7)和下圆柱部分(8)，在扩散器两端有圆柱段(10、11)，在下圆柱部分(8)的下端，与主体(1)同轴线地布置带有端头(18)的套管(17)，同时所述止水泥浆循环通道做在扩散器(9)的下圆柱段(11)上，并沿其圆周均布，为切向螺旋形状，而在扩散器(9)的上圆柱段(10)上有孔(13)，孔中布置排出管(20)的弯曲端(22)，排出管(20)与主体1同轴线布置，并和套管(17)连通。
3.按照权利要求2的装置，其特征在于，主体(1)下部件(8)的外径D1、扩散器(9)的上圆柱段(10)的外径D2，以及转接管外径D3之间的关系为D2＜D3＜D1。
4.按照权利要求2、3的装置，其特征在于，转接管(2)的外圆柱面上固定几块竖导板(26)。
全文摘要
封堵钻井中吸收层的方法，其特征在于分离出来的小密度止水泥浆相沿着高于吸收层6吸收区的钻井5的杆外间隙24引向钻井5的井口。其实施装置有主体1，主体的上部件7呈扩散器9形状，在其上部件8下端有与主体1同轴线布置的套管17。在扩散器9的下圆柱段11上有止水泥浆循环沟道14，沿其周向均匀分布，并为切向螺旋形状。在扩散器9的上圆柱段10上有孔13，孔中布置与主体1同轴的且与套管17连通的排出管20的弯曲端22。
文档编号E21B33/10GK1039867SQ8710382
公开日1990年2月21日 申请日期1987年5月27日 优先权日1987年5月27日
发明者维尔·法祖罗维奇·加利亚克巴罗夫, 拉希特·克海布洛维奇·萨尼科夫, 米德克哈特·拉克马吐利奇·马夫朱托夫, 利那特·格莱维奇·塞达科夫, 阿历山德尔·塞曼诺维奇·弗民, 弗拉迪米尔·德米特里维奇·巴兰诺夫斯基, 拉迪尔·阿姆利亚克荷维奇·加利耶夫 申请人:乌法石油研究所