СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ОБСАДНЫХ КОЛОНН В СКВАЖИНЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к технике капитального ремонта скважин, к способу и устройству для установки во внутренней части обсадной колонны металлических пластырей для восстановления герметичности обсадных колонн нефтяных, водных и газовых скважин.

Известен способ установки пластыря в обсадной колонне труб [1]. Осуществляют спуск инструмента в скважину. Ориентируют пластырь на дефект. Создают избыточное гидравлическое давление в системе и расширяют пластырь дорнирующей головкой сверху вниз силовым толкателем устройства. Расширение пластыря дорнирующей головкой обеспечивают силовым толкателем, применяя устьевой упор. Упором компенсируют противовес инструмента силовому толкателю. Жестко связывают спускаемый инструмент с фланцем устья скважины и осуществляют возвратно-поступательное движение инструмента в скважине.

Известно устройство для установки гофрированных металлических пластырей для восстановления герметичности обсадных труб скважин [2]. Устройство состоит из циркуляционного клапана, подвижного силового толкателя, состоящего из цилиндра, поршня и полого штока. На сердечнике с цанговыми упорами между дорнирующей головкой и упором помещен пластырь. Нижний упор выполнен в виде конуса с пазами, в которых на шарнирах с подпружиненными лепестками расположены упорные пластины пластыря. В рабочем состоянии пластины занимают положение перпендикулярно образующим пластыря, контактируя одним концом с его нижним торцом, а другим - со ступенями пазов конусного упора. При создании избыточного давления в системе осуществляется цикл продавливания дорнирующей головки через пластырь. Циклы повторяются до выхода головки из пластыря. Недостатком этих изобретений является то, что устройство спускают на штангах, что является трудоемким и дорогостоящим процессом.

Известен способ восстановления герметичности обсадных колонн путем спуска пластыря в скважину на тросе или каротажном кабеле [3], который и примем за прототип. Способ заключается в перекрытии зоны негерметичности обсадной колонны изнутри пластырем из деформируемой трубы, изготовленной из термопластичного материала, например полиэтилена. Расширение пластыря в скважине осуществляется путем создания избыточного давления внутри трубы за счет расширения саморазогревающегося и саморасширяющегося материала, которым заполняют деформированную трубу, например, СИГБ - смеси известковой для горных и буровых работ, которым заполняют трубу из термопластичного материала перед перекрытием зоны негерметичности обсадной колонны. Деформированную трубу спускают на тросе в скважину, устанавливают против нарушения колонны и выдерживают в течение 5-6 часов. За это время происходит химическая реакция, в результате которой смесь разогревается, увеличиваясь в объеме. Под давлением расширяющейся смеси труба распрямляется и плотно прижимается к стенке обсадной колонны. Далее, когда труба остынет и затвердеет, из ее внутренней полости разбуривают и удаляют образовавшийся известковый камень и пускают скважину в работу. Недостатком известного способа является необходимость разбуривания образовавшегося внутри пластыря камня, что повышает трудоемкость и снижает надежность восстановления герметичности обсадных колонн, т.к. при разбуривании пластырь может быть поврежден.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности восстановления герметичности обсадных колонн и снижение трудоемкости проведения работ.

Необходимый технический результат достигается тем, что в способе восстановления герметичности обсадных колонн в скважине, включающий перекрытие зоны негерметичности обсадной колонны изнутри пластырем, включающем силовой корпус пластыря с внешним диаметром меньше диаметра внутренней части обсадной колонны, изменение габаритных размеров силового корпуса пластыря, обеспечивающее герметизацию обсадной колонны, согласно изобретению используют силовой корпус пластыря, изготовленный из листа металлического сплава с эффектом памяти формы и скатанный в рулон, увеличивают прочность пластыря, помещая силовой корпус пластыря в чулок из высокопрочного материала, например из кевлара, или, например, из углеродного волокна, внешняя поверхность которого покрыта герметизирующим материалом, осуществляют частичное разгибание рулона, увеличение в диаметре силового корпуса пластыря и прижатие высокопрочного материала с герметизирующим материалом к обсадной колонне, для этого повышают температуру силового корпуса пластыря до температуры выше температуры обратного мартенситного превращения для данного сплава, при которой реализуется эффект памяти формы, а для повышения температуры силового корпуса пластыря используют приспособление, проходящее внутри корпуса пластыря, обеспечивающее равномерный нагрев корпуса пластыря, например за счет температуры горячих газов, образованных при сгорании порохового термогенератора или, например, за счет теплового эффекта от экранирующего действия высокочастотного электромагнитного поля, создаваемого импульсным высокочастотным излучателем электромагнитного поля, при этом для контроля за работой по установке пластыря в интервале негерметичности обсадной колонны и для оценки эффективности восстановления герметичности обсадной колонны используется блок электроники.

Устройство для восстановления герметичности обсадных колонн в скважине, включающее пластырь с силовым корпусом пластыря с внешним диаметром меньше диаметра внутренней части обсадной колонны, спускаемым в интервал негерметичности на геофизическом кабеле, согласно изобретению силовой корпус пластыря изготовлен из металлического листа с эффектом памяти формы, лист скатан в рулон и помещен в чулок из высокопрочного материала, например из кевлара или из углеродного волокна, внешняя поверхность которого покрыта герметизирующим материалом, при этом поперечный размер металлического листа превышает размер внутренней стороны окружности трубы, диаметр чулка превышает внутренний диаметр обсадной колонны, а приспособление для равномерного нагрева силового корпуса пластыря проходит внутри силового корпуса пластыря и выполнено, например, в виде порохового термогенератора или, например, в виде импульсного высокочастотного излучателя электромагнитного поля, кроме того, устройство включает блок электроники, включающий локатор муфт, датчики давления и высокоточного термометра.

Сущность изобретения заключается в том, что для восстановления герметичности обсадных колонн в скважине используется металлический силовой корпус пластыря, изготовленный из листа металлического сплава с эффектом памяти формы (ЭПФ) и скатанный в рулон. ЭПФ проявляется в том, что лист деформируют (в нашем случае сворачивают в рулон), нагревают и происходит частичное восстановление формы листа. Причиной таких изменений является развитие прямого мартенситного превращения γ-ε при холодной деформации и обратного ε-γ превращения при последующем нагреве листа до определенной температуры (температуры обратного мартенситного превращения), что вызывает частичное восстановление формы, которую имел лист перед исходной холодной деформацией. Т.к. пластырь установлен в обсадной колонне, то происходит частичное разгибание рулона, размер внешнего диаметра силового корпуса пластыря увеличивается до размера диаметра внутренних стенок обсадной колонны и надежно прижимает герметизирующий материал пластыря к ней. После снижения температуры силовой корпус пластыря сохраняет увеличенный диаметр.

Способ осуществляется следующим образом. Вначале определяют температуру во внутренней части обсадной колонны в скважине в месте негерметичности. Предположим, температура в месте негерметичности обсадной колонны в скважине составляет 100°С. Для изготовления силового корпуса пластыря используется лист металлического сплава с эффектом памяти формы с температурой обратного мартенситного превращения выше температуры в зоне негерметичности, в нашем случае, это 300-500°С, скатанный в рулон. Внешний диаметр рулона меньше, чем внутренний диаметр обсадной колонны, что позволяет беспрепятственно доставить его в интервал негерметичности на геофизическом кабеле.

Для точной установки пластыря в интервале негерметичности используют блок электроники, в котором, кроме локатора муфт, имеется высокоточный термометр, по показаниям которого можно определить место течи через негерметичность обсадной колонны.

Нагревают силовой корпус пластыря до температуры 300-500°С, при которой осуществляется ЭПФ и происходит частичное разгибание рулона до размеров в диаметре, равных размерам внутренним стенкам обсадной колонны. При проведении опытных лабораторных исследований было доказано:

- при сдвиговой деформации по направлению оси обсадной колонны силовой корпус пластыря выдерживает усилие на сдвиг достаточное, чтобы пластырь не сдвигался вниз по стенкам обсадной колонны во время эксплуатации скважины.

- после установки пластыря и его выдавливания из обсадной колонны наблюдалось упругое разгибание силового корпуса пластыря до диаметра, превышающего диаметр обсадной колонны, что свидетельствует об упругих напряжениях, которые прижимают силовой корпус пластыря к обсадной колонне.

Чтобы силовой корпус пластыря не выдавил стенки обсадной колонны и для увеличения прочности самого пластыря, силовой корпус помещают в чулок из высокопрочного материала, например, из кевлара или, например, из углеродного волокна. Оба эти материала отличаются высокой прочностью (при равном весе они прочнее алюминия и стали). Внешняя поверхность высокопрочного волокна покрыта герметизирующим материалом, необходимым, чтобы заполнить зазоры, которые могут быть из-за неровностей, выступов и других дефектов обсадной колонны. Чулок из высокопрочного материала защищает герметизирующий материал от влияния высоких температур. После того как силовой корпус пластыря увеличится в размерах, он надежно прижимает чулок из высокопрочного материала с герметизирующим материалом к обсадной колонне, восстанавливая ее герметичность.

Для повышения температуры силового корпуса пластыря используют приспособление, проходящее внутри корпуса пластыря, обеспечивающее равномерный нагрев корпуса пластыря до температуры выше температуры обратного мартенситного превращения, в нашем случае выше 300-500°С. Это может быть осуществлено, например, за счет температуры горячих газов, образованных при сгорании порохового термогенератора, проходящего внутри пластыря. При этом, при изготовлении термогенератора выбирается состав и определяется его конструкция, которые должны обеспечить его устойчивое горение без перехода в детонацию. По команде оператора по каротажному кабелю подается сигнал запуска запального устройства, от которого возгорается пороховой термогенератор, выделяется большое количество горячих газов, которые нагревают силовой корпус пластыря. Время горения термогенератора составляет доли секунд, поэтому время нагрева силового корпуса пластыря и осуществление ЭПФ происходит в течение короткого времени.

Кроме того, равномерный нагрев корпуса может быть обеспечен за счет теплового эффекта от экранирующего действия высокочастотного электромагнитного поля, создаваемого импульсным высокочастотным излучателем электромагнитного поля, который спускается в скважину на геофизическом кабеле. Высокочастотные импульсы подаются на электрод, проходящий внутри силового корпуса пластыря. Сам корпус пластыря является экраном. Выделение тепла в металле силового корпуса пластыря обусловлено экранным эффектом из-за поглощения энергии ВЧ-поля, его интенсивность зависит только от частоты тока в импульсе.

Для точной установки пластыря в интервале негерметичности в скважине, для контроля за работой по изоляции зоны негерметичности и для оценки эффективности восстановления герметичности обсадной колонны используется блок электроники.

Устройство для восстановления герметичности обсадных колонн в скважине включает пластырь с силовым корпусом пластыря, изготовленным из металлического листа с эффектом памяти формы, скатанным в рулон. Внешний диаметр рулона меньше диаметра внутренней части обсадной колонны. Поперечный размер металлического листа немного превышает размер внутренней стороны окружности трубы, чтобы при разворачивании рулона не было зазоров в боковой поверхности силового корпуса. Рулон помещен в чулок из высокопрочного материала, например из кевлара или из углеродного волокна. Диаметр чулка немного превышает внутренний диаметр обсадной колонны, чтобы высокопрочный материал мог «лечь» на все выступы и неровности обсадной колонны. Внешняя поверхность чулка покрыта герметизирующим материалом, например сырой резиной или, например, высокотемпературной силиконовой резиной.

Приспособление для равномерного нагрева силового корпуса пластыря проходит внутри силового корпуса пластыря и выполнено, например, в виде порохового термогенератора или, например, в виде импульсного высокочастотного излучателя электромагнитного поля. Пороховой термогенератор представляет собой заряд, изготовленный из составов, которые обеспечивают горение в водной, водонефтяной, кислотной среде, например из баллиститного ракетного твердого топлива. Для сбора заряда используется металлическая штанга, пропущенная через центральный канал порохового заряда. Верхняя часть штанги присоединена к каротажному кабелю. Длина штанги подбирается так, чтобы геофизический кабель и блок электроники находились от горящих секций заряда на безопасном расстоянии, чтобы уберечь их от тепловой и динамической нагрузки во время горения порохового заряда. Электронный блок включает датчики локатора муфт, высокоточный датчик измерения температуры и датчик измерения давления.

Устройство работает следующим образом. Устройство опускают в интервал негерметичности обсадной колонны. Для поиска интервала негерметичности используется локатор муфт и высокоточный термометр. По команде оператора с наземного пульта производят запуск устройства подачей электрического тока по геофизическому кабелю на спираль узла воспламенения порохового термогенератора и на электронный блок. При сгорании порохового заряда образуется большое количество горячих пороховых газов, которые нагревают силовой корпус пластыря до температуры обратного мартенситного превращения, корпус изменяется в диаметре и прижимает герметизирующий и высокопрочный материал к обсадной колонне. В результате жидкость из заколонного пространства не может попасть через нарушение герметичности внутрь обсадной колонны. Герметичность обсадной колонны восстановлена. Датчики температуры и давления измеряют температуру, давление во время горения заряда и после его. Измеренные данные температуры, давления и ускорения в электронном блоке преобразуются в цифровой вид, запоминаются внутри электронного блока и передаются в цифровом виде по геофизическому кабелю на поверхность устройства визуализации и регистрации параметров. Геофизический кабель с остатками приспособления и электронным блоком извлекаются из скважины. В результате через установленный пластырь по стволу скважины происходит беспрепятственный поток жидкости и необходимого эксплуатационного оборудования, что позволяет вести дальнейшую эксплуатацию скважины.

В связи с исключением операции разбуривания, которая необходима при проведении работ у прототипа, снижается трудоемкость и повышается надежность восстановления герметичности обсадных колонн. Спуск пластыря на геофизическом кабеле значительно снижает время проведения работ и трудозатраты. Кроме того, упругие напряжения, которые прижимают силовой корпус пластыря к обсадной колонне, позволят ему не сдвигаться вниз по стенкам обсадной колонны и длительное время осуществлять восстановление герметичности обсадной колонны.

Источники информации

1. Патент РФ №2150570 «Способ установки пластыря в обсадной колонне труб».

2. Патент РФ №2154149 «Устройство для установки пластыря в обсадной трубе».

3. Патент РФ №2105128 «Способ восстановления герметичности обсадных колонн».