Устройство для испытания закупоривающей текучей среды, затвердевающей под воздействием сдвигающего усилия

 

Изобретение относится к устройству для испытания различных свойств закупоривающей текучей среды, затвердевающей под воздействием сдвигающего усилия, используемой для закупоривания пластов под землей в зоне вокруг буровой скважины или для блокирования скважины в случае непреднамеренного проникновения в нее воды. Устройство включает средство создания сдвигающего усилия и по меньшей мере одно средство измерения структурных свойств закупоривающей текучей среды, затвердевающей под воздействием сдвигающего усилия, при этом средство создания сдвигающего усилия выполнено в виде цилиндра с входными и выходными отверстиями, клапанами и поршнем, имеющим уплотнение по отношению к стенкам цилиндра и производящим закачивание закупоривающей текучей среды в цилиндр через входное отверстие и выдавливание через выходное отверстие регулируемого клапана для создания необходимого сдвигающего усилия, установленного за выходным клапаном, средства измерения перепада давления на регулируемом клапане и установленного за ним сборника закупоривающей текучей среды, пропущенной под давлением через регулируемый клапан. Техническим результатом является создание простого, надежного и экономичного устройства, обеспечивающего простое регулирование сдвигающего усилия, которому подвергается эта среда при ее испытании. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Настоящее изобретение относится к устройству для испытания различных свойств закупоривающей текучей среды, затвердевающей под воздействием сдвигающего усилия, используемой для закупорирования пластов под землей в зоне вокруг буровой скважины или для блокирования скважины в случае непреднамеренного проникания в нее воды. В частности, определенный интерес для оценки могут представлять те свойства закупоривающей текучей среды, которые имеют отношение к времени затвердевания, сдвигающему усилию и гомогенности текучей среды при различных значениях давления и температуры, а также в различных химических условиях.

Для закупоривания зон подземных пород могут использоваться в том числе так называемые "реотропные" текучие среды, которые загустевают в результате сдвигающего усилия. Подходящей реотропной текучей средой для такого использования является текучая среда, имеющая физические свойства, позволяющие легко закачивать ее через систему подачи бурового раствора (условие 1) к буровой головке и вызвать ее затвердевание (условие 2), пропуская через отверстия буровой головки, при этом происходит падение давления в диапазоне приблизительно от 50 до 120 бар. Кроме того, период времени от момента прохождения через отверстия до начала затвердевания должен быть достаточно продолжительным, чтобы позволить текучей среде протечь в зоны горной породы, которые требуется закупорить.

Для приготовления закупоривающей текучей среды, имеющей такие требуемые характеристики затвердевания, используется, как известно, технология с применением эмульсии, при которой приготовляется эмульсия, состоящая из двух компонентов реакции, которые обеспечивают загустевание или затвердевание текучей среды, будучи приведенными в контакт друг с другом, каждый из этих компонентов помещен в отдельной фазе эмульсии таким образом, что они не находятся в контакте друг с другом. До тех пор, пока структура эмульсии не будет нарушена, два компонента реакции будут находиться в таком состоянии, отделенными друг от друга, при этом эмульсия сохраняет ее исходную низкую вязкость. С другой стороны, когда эмульсия подвергается максимальному сдвигающему усилию, происходит изменение ее физических свойств, два компонента реакции входят в контакт друг с другом и начинается затвердевание текучей среды.

Указанная эмульсионная технология может быть реализована несколькими путями. Так, в патенте США N 4663366 раскрыта реотропная водно-нефтяная эмульсия, в которой: а) фаза нефти содержит распределенную в ней гидратируемую, набухающую от воды гидрофильную глину, такую, как бентонит, а также содержит растворенное в ней вещество, снижающее поверхностное натяжение, состоящее из модификации полиамина, и б) фазу воды, которая содержит растворенные в ней полиакриламид и поликарбоксильную кислоту. Для того чтобы держать бентонит в изолированном от воды состоянии до момента затвердевания текучей среды, требуется, чтобы каждое вкрапление диспергированной водной фазы было покрыто мембраной или пленкой полимерного материала, которая формируется при диспергировании водной фазы или эмульсировании в нефтяной фазе эмульсии. Пленка или мембрана формируется в результате поверхностного взаимодействия между производной полиамина в нефтяной фазе и полиакриламидом и поликарбоксильной кислотой в диспергированной водной фазе. Когда эмульсия подвергается значительному сдвигающему усилию в необходимый момент времени, защитная пленка вокруг диспергированных частиц эмульсии нарушается, и бентонит переходит в контакт с водой, что приводит к набуханию бентонита и впоследствии затвердеванию текучей среды.

Закупоривающая текучая среда, в которой технология с применением эмульсии используется другим способом, описана в норвежской заявке на патент N 931954. Эта закупоривающая текучая среда состоит из эмульсии, включающей а) непрерывную фазу, состоящую из гидрофобной текучей среды (нефти), эмульгатора и вещества, образующего перекрестные связи в полисахаридах и б) прерывающуюся фазу, включающую воду и полисахариды. В этом случае механизм затвердевания закупоривающей текучей среды основывается на свойстве создания перекрестных связей в полисахаридах с помощью вещества, образующего такие перекрестные связи. Так, для достижения требуемого эффекта закупоривающей эмульсии важным является, даже в этом случае, чтобы два компонента реакции в эмульсии находились отдельно друг от друга до момента затвердевания закупоривающей эмульсии. Это разделение достигается с помощью содержания вещества, образующего перекрестные связи в инкапсулированном в гидрофобной текучей среде (например в нефти) виде, в то время как полисахариды находятся в прерывающейся фазе эмульсии, причем этой фазой является вода. Следовательно, до тех пор, пока эмульсия находится в спокойном состоянии или же подвергнута воздействию только умеренного сдвигающего усилия, какой-либо заметной реакции по созданию перекрестных связей не происходит. Однако когда эмульсия подвергается воздействию значительного сдвигающего усилия, например, при пропускании под давлением через отверстия в головке бура в стволе скважины, полисахариды и вещество, создающее перекрестные связи, переходят в контакт друг с другом, при этом создаются перекрестные связи полисахаридов и закупоривающая эмульсия затвердевает.

Система подачи бурового раствора в буровую скважину для обработки окружающей почвы состоит из ряда средств создания сдвигающего усилия, воздействуя в большей или меньшей степени на текучую среду, прокачиваемую через систему. Сдвигающее усилие тесно связано с падением давления в каждом из отдельных средств. Самое большое падение давления и соответственно наибольшее сдвигающее усилие возникает, например, во время прохода через отверстия в головке бура или через канал в завершающей колонне внизу буровой скважины. Использование закупоривающей текучей среды для цели настоящего изобретения основывается на условии, что только сопротивление ее течению ниже по стволу буровой скважины обеспечит создание достаточно высокого сдвигающего усилия на два компонента реакции, каждый из которых содержится в отдельной фазе эмульсии с тем, чтобы привести их в контакт друг с другом, в результате чего происходит загустение или затвердевание текучей среды.

Для того чтобы закупоривающая текучая среда была способна выполнить свое назначение внизу, в слоях горной породы, важно, чтобы она имела возможно более низкое значение вязкости в состоянии условия 1 до того, как она будет подвергнута воздействию, чтобы она могла затвердевать до высокого значения плотности при условии 2, после того как она была подвергнута воздействию значительного сдвигающего усилия, чтобы она могла находиться в достигнутом значении плотности требуемый период времени и чтобы она в наименьшей степени затвердевала при условии 1 в результате постепенного разрушения эмульсии, во время ее хранения или до того, как она пройдет через отверстия в головке бура или какое-либо другое препятствие ее течению в стволе скважины.

Для обеспечения в максимальной степени соответствия закупоривающей текучей среды своему функциональному назначению внизу в пластах горной породы может потребоваться провести испытание закупоривающей текучей среды перед тем, как она будет закачана в буровую скважину. В частности, важным является обеспечение возможности изменения сдвигающего усилия, которому будет подвергнута закупоривающая текучая среда в стволе скважины, потому что время затвердения и плотность формируемого геля будут зависеть от сдвигающего усилия, которому будет подвергнута эмульсия.

Когда текучая среда протекает через отверстия в буре, существует тесная корреляция между перепадом давления при проходе через отверстия и сдвигающим усилием, которому подвергается текучая среда в этих отверстиях. Поэтому становится возможным, используя модель, имитирующую отверстия в буре уменьшенных размеров, достигнуть точного моделирования условий, которые существуют в буровой скважине и, таким образом, с высокой степенью вероятности предсказать поведение закупоривающей текучей среды на практике. Испытательное устройство, способное смоделировать реальную картину сдвигающего усилия, которому текучая среда будет подвергнута при пропускании под давлением через, например, отверстия в головке бура внутри буровой скважины, должно быть оснащено средством для создания перепада давления в текучей среде величиной до 120 бар, и особенно перепадов давления от 30 до 100 бар, и было бы практично производить испытания на закупоривающей текучей среде на основе объемов жидкости порядка от 0,5 до 2,0 л.

Кроме того, такое устройство для испытания реотропической закупоривающей текучей среды должно быть сконструировано таким образом, чтобы препятствовать воздействию на нее нежелательных усилий для предохранения устройства от интенсивного износа, вызываемого твердыми частицами, содержащимися в текучей среде.

В авторском свидетельстве СССР N 916734, кл. E 21 B 33/238, 1982 года раскрыто устройство для испытания закупоривающей текучей среды, затвердевающей под воздействием сдвигающего усилия, включающее средство создания сдвигающего усилия и средство измерения структурных свойств закупоривающей текучей среды, затвердевающей под воздействием сдвигающего усилия.

Это устройство является достаточно сложным и дорогостоящим и не обеспечивает простого регулирования сдвигающего усилия, которому подвергается закупоривающая текучая среда при ее испытании.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание простого, надежного и экономичного устройства для испытания закупоривающей текучей среды, затвердевающей под воздействием сдвигающего усилия, обеспечивающего простое регулирование сдвигающего усилия, которому подвергается эта среда при ее испытании.

Этот технический результат достигается тем, что в устройстве для испытания закупоривающей текучей среды, затвердевающей под воздействием сдвигающего усилия, включающем средство создания сдвигающего усилия и по меньшей мере одно средство измерения структурных свойств закупоривающей текучей среды, затвердевающей под воздействием сдвигающего усилия, согласно изобретению средство создания сдвигающего усилия выполнено в виде цилиндра с входными и выходными отверстиями, клапанами и поршнем, имеющим уплотнение по отношению к стенкам цилиндра и производящим закачивание закупоривающей текучей среды в цилиндр через входное отверстие и выдавливание через выходное отверстие, регулируемого клапана для создания необходимого сдвигающего усилия, установленного за выходным клапаном, средства измерения перепада давления на регулируемом клапане и установленного за ним сборника закупоривающей текучей среды, пропущенной под давлением через регулируемый клапан.

Сборник закупоривающей текучей среды может быть выполнен в виде открытого контейнера или контейнера, выполненного с возможностью выгрузки его содержимого под воздействием управляемого давления во время вдавливания в него закупоривающей текучей среды.

Предпочтительно, чтобы сборник закупоривающей текучей среды содержал по меньшей мере один твердый проницаемый материал, имеющий выбранную пористость и проницаемость.

Целесообразно, чтобы устройство содержало средство для измерения сдвигающего усилия затвердевающей закупоривающей текучей среды при атмосферном давлении в соответствии со стандартными геотехническими методами после снятия любого избыточного давления в сборнике.

Желательно, чтобы устройство содержало консистометр высокого давления измерения сдвигающего усилия, предназначенный для измерения под давлением сдвигающего усилия затвердевающей текучей среды.

Целесообразно, чтобы устройство имело средство для измерения максимального дифференциального давления, которое способно выдержать пористый материал и затвердевшая закупоривающая текучая среда в сборнике до разрушения затвердевшей закупоривающей текучей среды.

Предпочтительно, чтобы устройство было снабжено воронкой для подачи закупоривающей текучей среды из смесительного средства в цилиндр, причем регулируемый клапан для создания необходимого сдвигового усилия выполнен в виде игольчатого клапана, а входной и выходной клапаны в виде шаровых клапанов.

Целесообразно, чтобы цилиндр был выполнен в виде гидравлического цилиндра двойного действия, содержащего приводной поршень, соединенный с рабочим поршнем через его шток.

Ниже приведено подробное описание вариантов выполнения изобретения со ссылками на чертежи, на которых фиг.1 схематически изображает устройство для испытания закупоривающей текучей среды в соответствии с первым вариантом его выполнения, фиг. 2 схематически изображает устройство для испытания закупоривающей текучей среды в соответствии с вторым вариантом его выполнения. Устройство для испытания закупоривающей текучей среды, загустевающей под воздействием сдвигающего усилия, включает средство создания сдвигающей усилия и по меньшей мере одно средство измерения структурных свойств закупоривающей текучей среды.

Средство создания сдвигающего усилия выполнено в виде показанного на фиг. 1 цилиндра 1, который сообщен через входное отверстие 2 на одном из его концов и входной клапан 3 с загрузочной воронкой 4 для закупоривающей текучей среды, подвергаемой испытанию, которая подается в загрузочную воронку 4 из смесительного средства (на чертежах не показано). На этом же конце цилиндр 1 имеет выходное отверстие 5, которое сообщено через выходной клапан 6 с регулируемым клапаном 7 для создания необходимого сдвигающего усилия. Перед клапаном 7 и после него подключены средства 8, 9 для измерения перепада давления на входном и выходном концах клапана 7 соответственно. Сборник 10 используется для сбора закупоривающей текучей среды, поступающей из регулируемого клапана 7. Поршень 11, расположенный в цилиндре 1, имеет уплотнения по отношению к стенкам цилиндра 1 и может перемещаться внутри него. Так, перемещая поршень 11 внутри цилиндра 1, можно закачивать закупоривающую текучую среду в цилиндр 1 через входное отверстие 2, а при обратном движении поршня 11 закупоривающая текучая среда выдавливается через отверстие 5. Предпочтительно поршень 11 приводить в движение с помощью гидравлического агрегата (на чертежах не показан). Клапан 7, используемый в данном устройстве, может быть игольчатым клапаном, а клапаны 3 и 6 могут быть выполнены в виде шаровых клапанов.

В варианте выполнения устройства, показанном на фиг. 2, цилиндр 1 представляет собой гидравлический цилиндр двойного действия, который содержит приводной поршень 12, соединенный с рабочим поршнем 11 через шток 13 поршня. Приводной поршень 12 приводится в действие с помощью гидравлического агрегата, состоящего из гидравлического насоса 14, клапана 15, входного отверстия 16 и выходного отверстия 17 для гидравлического масла. Сборник 10 закупоривающей текучей среды и средство, используемое для выполнения измерений, могут быть аналогичными тем, которые показаны на фиг.1.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением может предпочтительно быть выполнено в виде мобильного агрегата. При этом поршень 11 может приводиться в действие с помощью гидравлики и гидравлический насос 14, который используется для привода поршня 11, может быть помещен в отдельный корпус и соединен с устройством с помощью быстрого отсоединяемого гидравлического соединения.

Устройство, показанное на фиг. 1, работает следующим образом.

Цилиндр 1 наполняется закупоривающей текучей средой из воронки 4 через входной клапан 3, который открывается, и поршень 11 выдвигается из цилиндра 1, двигаясь от своего конечного положения, где расположены входное отверстие 2 и выходное отверстие 5, при этом выходной клапан 6 находится в закрытом состоянии. Когда поршень 11 достигает своего противоположного конечного положения и весь доступный объем цилиндра 1 заполнется закупоривающей текучей средой, входной клапан 3 закрывается, а выходной клапан 6 открывается. Затем поршень 11 возвращается в упомянутое первое конечное положение, выдавливая тем самым закупоривающую текучую среду из цилиндра 1 через выходное отверстие 5 и дальше через выходной клапан 6 и клапан 7 для создания необходимого сдвигающего усилия в сборник 10. В регулируемом клапане 7 закупоривающая текучая среда подвергается заранее определенной величине сдвигающего усилия, в результате чего разрушается эмульсия и инициируется процесс затвердевания. Сдвигающее усилие определяется в соответствии с перепадом давления при проходе через регулируемый клапан 7, т.е. перепадом давления, измеренного с помощью средств 8, 9 измерения перепада давления перед и за этим клапаном 7 соответственно. При использовании закупоривающей текучей среды в соответствии с норвежской патентной заявкой N 931954 затвердевание происходит в результате того, что вещество, вызывающее перекрестные связи, приходит в контакт с полисахаридами и образует в них перекрещивающиеся связи. Однако затвердевание не происходит спонтанно, и закупоривающая текучая среда может, таким образом, свободно перетекать в сборник 10, в котором и происходит затвердевание.

В сборнике 10 закупоривающей текучей среды известным способом измеряются такие свойства текучей среды, как время затвердевания и ее плотность (степень загустения). В простейшем варианте сборник 10 представляет собой открытый контейнер, который заполнен закупоривающей текучей средой, подвергнутой сдвигающему усилию, причем степень концентрации геля измеряется с помощью стандартных геотехнических методов.

Однако может также представлять интерес сдвиг закупоривающей текучей среды под действием давления и поддержание текучей среды под давлением. В этом случае в качестве сборника 10 используется контейнер под давлением. Чтобы обеспечить сбор закупоривающей текучей среды, поступающей от регулируемого клапана 7, контейнер под давлением должен быть оборудован таким образом, чтобы можно было производить удаление его первоначального содержимого под воздействием управляемого давления. В этом случае используется средство для измерения сдвигающего усилия затвердевающей текучей среды при атмосферном давлении в соответствии со стандартными геотехническими методами после снятия любого избыточного давления в контейнере.

При измерении сдвигающего усилия при некотором избыточном давлении контейнер под давлением должен быть оборудован консистометром высокого давления, предназначенным для измерения сдвигающих усилий.

Для того чтобы получить результаты измерения, дающие более достоверную картину поведения закупоривающей текучей среды в зоне пластов горной породы, которые должны быть закупорены, необходимо собрать закупоривающую текучую среду, подвергнутую сдвигающему усилию в сборнике, содержащем по меньшей мере твердый проницаемый материал с заданной пористостью и проницаемостью. Зная условия в зоне пластов горной породы, можно приблизительно воспроизвести указанные условия и с определенной точностью оценить возможности по закупориванию любой конкретной закупоривающей текучей среды в указанной зоне. С использованием сборника, содержащего подобный твердый проницаемый материал, измерения сдвигающего усилия могут проводиться с помощью средств измерения максимального перепада давления, который способен выдержать пористый материал и затвердевшая закупоривающая текучая среда в сборнике прежде, чем затвердевшая закупоривающая текучая среда разрушится.

Пример.

Целью испытаний было предварительное определение свойств, получаемых у данной затвердевающей под воздействием сдвигающих усилий закупоривающей текучей среды, при прокачивании ее с падением давления в 60 бар через отверстия бура в стволе скважины.

Для этой цели использовалось испытательное устройство, показанное на фиг. 2. Цилиндр 1 устройства имел внутренний диаметр 65 мм и внутренний объем приблизительно 1,0 л. Эффективная длина перемещения поршня составляла 300 мм. Поршень 11 приводился в движение с помощью гидравлического устройства, имеющего товарный знак "Hidroirma", тип UP10, P = 105 бар, U = 0,3 л/мин. Клапан 7, создающий необходимое сдвигающие усилие, представлял собой 10 мм игольчатый клапан, имеющий товарный знак "Nupro", тип SS-4PЗA5. Трубы для подачи закупоривающей жидкости из воронки 4 через цилиндр 1 и регулируемый клапан 7 в сборник 10 были выполнены из нержавеющей стали SS 316L и имели внутренний диаметр 10 мм. Входной и выходной клапаны 3, 6, подводящие и отводящие текучую среду из цилиндра 1, соответственно представляли собой 10 мм шаровые клапаны, имеющие знак "Whitey", тип 44-S 10MN. Сборник 10 представлял собой открытый контейнер, и измерение сдвигающего усилия выполнялось с помощью инструмента, имеющего товарный знак "Sinco Tozvane", модель 51602.

Для использования в качестве закупоривающей текучей среды было приготовлено 1,375 л водно-нефтяной эмульсии следующим способом. Были смешаны 0,75 л воды и 6,0 г ксантана в стакане объемом 2 л (стакан 1). Через 1 ч к этой смеси было дополнительно добавлено 1500 г барита. Во втором стакане объемом 2 л (стакан 2) были смешаны 0,25 л Exxsol D60, 1,0 мл Safemul PE (эмульгатор на основе триглицирина) и 8,0 г Ca(OH₂). Смесь из стакана 1 затем добавлялась при постоянном перемешивании к смеси в стакане 2. При этом получалась эмульсия, имевшая плотность 1,80 г/см². Приготовленная эмульсия выливалась в загрузочную воронку 4 испытательного устройства с поршнем 11, расположенным в передней позиции, причем клапаны 3 и 6 были закрыты. Клапан 7 был отрегулирован таким образом, чтобы создавать перепад давления 60 бар. Входной клапан 3 был открыт и поршень 11 с помощью гидравлики был перемещен в заднее положение, в результате чего приблизительно 1,0 л эмульсии было закачано в цилиндр 1. Затем входной клапан 3 был закрыт, а выходной клапан 6 открыт, одновременно с этим поршень 11 был приведен в движение по направлению к передней позиции. Это вызвало продавливание эмульсии через клапан 7, через выходной клапан 6, после чего она собиралась в сборник 10. Данная эмульсия затвердела через 2 мин. Через 24 ч измерения сдвигающего усилия показали 14000 Па.

Формула изобретения

1. Устройство для испытания закупоривающей текучей среды, затвердевающей под воздействием сдвигающего усилия, включающее средство создания сдвигающего усилия и по меньшей мере одно средство измерения структурных свойств закупоривающей текучей среды, затвердевающей под воздействием сдвигающего усилия, отличающееся тем, что средство создания сдвигающего усилия выполнено в виде цилиндра с входными и выходными отверстиями, клапанами и поршнем, имеющим уплотнение по отношению к стенкам цилиндра и производящим закачивание закупоривающей текучей среды в цилиндр через входное отверстие и выдавливание через выходное отверстие регулируемого клапана для создания необходимого сдвигающего усилия, установленного за выходным клапаном, средства измерения перепада давления на регулируемом клапане и установленного за ним сборника закупоривающей текучей среды, пропущенной под давлением через регулируемый клапан.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сборник закупоривающей текучей среды выполнен в виде открытого контейнера.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сборник закупоривающей текучей среды представляет собой контейнер, выполненный с возможностью выгрузки его содержимого под воздействием управляемого давления во время вдавливания в него закупоривающей текучей среды.

4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что сборник закупоривающей текучей среды содержит по меньшей мере один твердый проницаемый материал, имеющий выбранные пористость и проницаемость.

5. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что оно содержит средство для измерения сдвигающего усилия затвердевающей закупоривающей текучей среды при атмосферном давлении в соответствии со стандартными геотехническими методами после снятия любого избыточного давления в сборнике.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно содержит консистометр высокого давления измерения сдвигающего усилия, предназначенный для измерения под давлением сдвигающего усилия затвердевающей текучей среды.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно содержит средство для измерения максимального дифференциального давления, которое способно выдержать пористый материал и затвердевшая закупоривающая текучая среда в сборнике до разрушения затвердевшей закупоривающей текучей среды.

8. Устройство по любому из пп.1 - 7, отличающееся тем, что оно снабжено воронкой для подачи закупоривающей текучей среды из смесительного средства в цилиндр, причем регулируемый клапан для создания необходимого сдвигового усилия выполнен в виде игольчатого клапана, а входной и выходной клапаны - в виде шаровых клапанов.

9. Устройство по любому из пп.1 - 8, отличающееся тем, что цилиндр выполнен в виде гидравлического цилиндра двойного действия, содержащего приводной поршень, соединенный с рабочим поршнем через его шток.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2