Способ исследования отложений, образовавшихся на стенках эксплуатационной колонны скважины, и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к исследованию скважин и предназначено для определения продольного профиля и физико-химических свойств тяжелых углеводородных и солевых отложений на стенках вдоль эксплуатационной колонны, а также может быть использовано для бокового отбора образцов пород из стенок необсаженной скважины. Техническим результатом является повышение эффективности и упрощение процесса исследования эксплуатационной колонны скважины на предмет количественной и качественной оценки образовавшихся твердых отложений на ее стенках. Для этого в эксплуатационную колонну скважины, заполненной жидкостью, на канате спускают многосекционное пробоотборное устройство, при помощи которого на каждой заданной глубине осуществляют секционный отбор образцов твердых отложений со стенок колонны не менее чем в трех точках, равномерно расположенных по внутренней ее окружности. При этом срабатывание каждой секции по глубине скважины производят поочередно при соответствующих величинах гидростатического давления столба жидкости или созданием на устье скважины необходимого избыточного давления. Затем на поверхности измерение толщины и физико-химический анализ отобранных образцов. Устройство содержит узел канатной подвески, корпус с радиальными цилиндрами и размещенные в нем с возможностью радиального перемещения пробоотборные втулки, гидромеханический силовой механизм выдвижения втулок. При этом устройство состоит из нескольких последовательно соединенных автономных секций, каждая из которых снабжена в корпусе тремя радиальными цилиндрами, расположенными под углом 120^o на одной горизонтальной плоскости, и размещенными в них пробоотборными втулками, выполненными в виде ступенчатых гильз со сферическими упорами, боковыми перепускными продольными каналами и зубчатыми насечками, выполненными во внутренней поверхности, двумя патрубками, подсоединенными к корпусу снизу и сверху, в цилиндрических камерах которых размещен гидромеханический силовой механизм, изолированный от жидкостной среды диафрагмой, рассчитанной на заданное давление разрыва и установленной в верхнем патрубке под его боковыми отверстиями, гидравлически сообщающими диафрагму со скважинной жидкостью. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области исследования скважин и предназначено для определения продольного профиля и физико-химических свойств тяжелых углеводородных и солевых отложений на стенках вдоль эксплуатационной колонны, а также может быть использовано для бокового отбора образцов пород из стенок необсаженной скважины.

Известный способ определения наличия твердых отложений на стенках вдоль эксплуатационной колонны заключается в осуществлении последовательного спуска в скважину на канате шаблонов различного диаметра. По их проходимости в стволе скважины определяют изменения ее поперечного сечения и в том числе толщину твердых отложений на стенках до ее максимального значения [1].

Данный способ не позволяет определить форму профиля и глубину начала твердых отложений, а также производить отбор образцов отложений из заданных глубин скважины. Кроме того, при спуске шаблонов в эксплуатационную колонну происходит искажение фактической толщины отложений из-за срезания их мягкого слоя и требуется осуществить многократные спускоподъемные операции по шаблонированию.

Известен также способ определения поперечных размеров и продольного профиля ствола скважины с использованием прибора профилемера, спускаемого в скважину на кабеле. Прибор содержит корпус, преобразователь перемещений, измерительные рычаги, выполненные в виде вогнутой в сторону оси профилемера упругой рессоры с тензорезистором, один конец которой предназначен для контакта со стенкой скважины, а другой - с наклеенным на его поверхности тензорезистором [2].

Однако профилемер, применяемый для буровых скважин с открытым стволом большого диаметра и при исследовании обсаженной скважины с небольшой амплитудой изменения диаметра, дает погрешности в измерениях и не осуществляет отбор образцов отложений для определения их физико-механических свойств и химического состава. Кроме того, он не применим для определения продольного профиля асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) на стенках колонны ввиду того, что измерительные рычаги врезаются в отложения и искажается их фактическая толщина.

По технической сущности наиболее близким к предложенному изобретению является устройство для исследования и отбора проб горных пород, содержащее корпус и размещенные в нем электродвигатель, поршневой насос, цилиндры с породоотбирающими втулками в виде полых штоков с поршнями, цилиндр с зондирующим стержнем и поршнем, распределительный элемент, сообщенный с напорной и сливной линиями насоса, заборно-сливную емкость [3].

Данное устройство имеет сложную конструкцию и большое количество взаимосвязанных и взаимозависимых узлов. Не обеспечивает точности определения толщины отложений по периметру колонны из-за продольного расположения породоотбирающих втулок в корпусе и отбор образцов отложений за один спуск из нескольких заданных глубин скважины с большими интервалами между точками отбора. Кроме того, устройство не предназначено для отбора проб образцов отложений в обсаженной скважине и есть высокая вероятность повреждения колонны зондирующим стержнем.

Целью изобретения является повышение эффективности и упрощение процесса исследования эксплуатационной колонны скважины на предмет количественной и качественной оценки образовавшихся твердых отложений на ее стенках путем обеспечения как точности измерения толщины этих отложений, так и возможности определения их физико-химических свойств по глубине колонны.

Поставленная цель достигается тем, что в эксплуатационную колонну скважины, заполненной жидкостью, на канате спускают многосекционное пробоотборное устройство, при помощи которого на каждой заданной глубине осуществляют секционный отбор образцов твердых отложений со стенок колонны не менее чем в трех точках, равномерно расположенных по внутренней ее окружности. При этом срабатывание каждой секции по глубине скважины производят поочередно при соответствующих величинах гидростатического давления столба жидкости или созданием на устье скважины необходимого избыточного давления. Затем на поверхности производят измерение толщины и физико-химический анализ отобранных образцов. В части устройства поставленная цель достигается тем, что пробоотборное устройство состоит из нескольких последовательно соединенных автономных секций. Каждая секция снабжена в корпусе тремя радиальными цилиндрами, расположенными под углом 120^o на одной горизонтальной плоскости, и размещенными в них с возможностью радиального перемещения пробоотборными втулками, выполненными в виде ступенчатых гильз со сферическими упорами, боковыми перепускными продольными каналами и зубчатыми насечками, выполненными во внутренней поверхности, двумя патрубками, подсоединенными к корпусу снизу и сверху, в цилиндрических камерах которых размещен гидромеханический силовой механизм, изолированный от жидкостной среды диафрагмой. Последняя рассчитана на заданное давление разрыва и установлена в верхнем патрубке под его боковыми отверстиями, гидравлически сообщающими полость патрубка над диафрагмой со скважинной жидкостью. При этом гидромеханический силовой механизм состоит из верхнего и нижнего поршней, расположенных в цилиндрических камерах верхнего и нижнего патрубков и жестко соединенных между собой штоком с коническим толкателем, взаимодействующим со сферическими упорами ступенчатых гильз. Внутренние полости камер, расположенных над верхним поршнем и под нижним поршнем, гидравлически сообщены при помощи капиллярного канала с фильтрующим элементом на верхнем поршне, проходящего через оси поршней и штока. Причем диаметр верхнего поршня меньше нижнего, а поверхность конического толкателя имеет тонкий слой покрытия.

На фиг.1 изображена в продольном разрезе одна секция предлагаемого устройства при спуске в скважину; на фиг.2 - разрез А - А на фиг.1 - положение пробоотборных гильз в момент отбора образцов отложений.

Устройство состоит из нескольких последовательно соединенных автономных секций. Каждая секция содержит корпус 1 с радиальными цилиндрами 2 с размещенными в них с возможностью радиального перемещения пробоотборными втулками, выполненными в виде ступенчатых гильз 3 со сферическими упорами 4, боковыми перепускными продольными каналами 5 и зубчатыми насечками 6, выполненными во внутренней поверхности (см. фиг.2), подсоединенные к корпусу 1 верхний 7 и нижний 8 патрубки, каждый из которых соответственно имеет цилиндрическую камеру 9 и 10. Верхний патрубок 7 под боковыми отверстиями 11 последовательно снабжен диафрагмой 12, рассчитанной на заданное давление разрыва и размещенной в камере 9, поршнем 13, а на первой секции над боковыми отверстиями 11 дополнительно узлом канатной подвески 14. Нижняя цилиндрическая камера 10 также снабжена поршнем 15 и глухим переходником 16 для подсоединения следующей секции. Поршни 13 и 15 между собой жестко соединены штоком 17 с коническим толкателем 18, взаимодействующими со сферическими упорами 4 гильз 3. На поверхность конического толкателя 18 перед спуском наносится тонкий слой покрытия, например, легко снимающаяся краска для отметки на нем в случае неполного выдвижения ступенчатых гильз 3 при наличии сверхтвердых отложений (кристаллических солей) на стенках колонны. Внутренние полости цилиндрических камер 9 и 10, расположенных над поршнем 13 и под поршнем 15, гидравлически сообщены при помощи капиллярного канала 19 с фильтрующим элементом 20, например, выполненным в виде многослойной металлической сетки, при этом пространство в корпусе 1 между поршнями 13 и 15 имеет постоянную воздушную камеру 21.

Устройство изготавливается в нескольких диаметральных исполнениях корпуса и конического толкателя с соответствующими радиальными выдвижениями пробоотборных гильз в корпусе для различных внутренних диаметров колонн скважин.

Способ осуществляется следующим образом.

После заполнения скважины жидкостью глушения извлекают насосно-компрессорные трубы и доливают ее этой же жидкостью до устья. Зависимо от числа заданных глубин исследования эксплуатационной колонны для построения продольного профиля твердых отложений и изучения на этих же глубинах их физико-химических свойств, собирают необходимое количество секций пробоотборного устройства. Для этого при сборке последовательно, начиная с первой секции, в них устанавливают диафрагмы 12 по возрастающим значениям давления их разрыва, соответствующим гидростатическому давлению столба жидкости на заданных глубинах исследования колонны.

Собранное пробоотборное устройство на канате спускается в колонну 22 с твердыми отложениями 23 на ее стенках (см. фиг.1). Во время спуска устройства под диафрагмой 12 гидромеханические силовые механизмы остаются изолированными от скважинной жидкости и находятся в воздушной среде, а пробоотборные ступенчатые гильзы 3 за счет действия давления жидкости на их внешние торцевые поверхности остаются в корпусе 1. При достижении интервала первой заданной глубины исследования колонны от гидростатического давления столба жидкости, передаваемого через боковые отверстия 11 патрубка 6, происходит разрыв диафрагмы 12 первой секции. Давление жидкости моментально действует на поршень 13 и перемещает его вниз до ограничителя корпуса 1. Поршень 15 в камере 10, жестко связанный через шток 17 с коническим толкателем 18 и верхним поршнем 13, также перемещается вниз. Объем цилиндрической камеры 10 выбирается таким образом, что давление воздуха при небольшом ходе поршня 15 почти не повышается (по закону изотермического процесса сжатия воздуха). Когда поршень 13 достигает ограничителя в корпусе 1, конический толкатель 18 штока 17 максимально выдвигает ступенчатые гильзы 3 и последние острыми кромками внедряются в отложения 23 колонны 22, а жидкость из внутренней полости гильз 3 пробами образцов вытесняется через боковые продольные каналы 5. В момент отбора образцов отложений устройство останавливается и за счет пропорционального выдвижения и равномерного расположения ступенчатых гильз 3 по окружности оно центрируется по оси колонны, а на устье скважины фиксируется глубина отборов образцов отложений. Скважинная жидкость через фильтр 20 и капиллярный канал 19 поступает под поршень 15 в камеру 10 и давление жидкости над поршнем 13 и под поршнем 15 выравнивается с временным запаздыванием. Поскольку площадь поршня 15 больше площади поршня 13, при равных давлениях жидкости сила, действующая снизу на поршень 15, больше и он с штоком 17 и его коническим толкателем 18 перемещаются вверх. Освободившиеся от опоры ступенчатые гильзы 3 со сферическими упорами 4 и с отобранными образцами во внутренней полости благодаря давлению жидкости, действующему на их ступенчатые торцевые поверхности, возвращаются в исходное положение. Далее устройство за счет собственного веса продолжает спускаться по колонне до следующей заданной глубины. При достижении очередной заданной глубины срабатывают соответствующие секции устройства аналогично вышеописанному. После отборов образцов отложений на всех заданных глубинах колонны устройство поднимают на поверхность. С наружной стороны из корпуса 1 пробоотборные гильзы 3 легко вынимаются и после слива содержащейся в них воды определяется длина отобранных образцов отложений во внутренней их полости через боковые продольные каналы 5, а по образцам пробы изучается их физико-химические свойства.

Длина образцов отложений, полученных при полном выдвижении пробоотборных гильз 3 в скважине, соответствует толщине отложений на стенках колонны. Неполные выдвижения пробоотборных гильз 3 определяются по оставленным следам их сферическими упорами 4 на поверхности конического толкателя 18 со специальным покрытием. В этом случае фактическая толщина отложений на стенках колонны определяется по формуле: δ_от = l_об+(R_к-r+L), где δ_от - толщина отложений на стенках колоны; l_об - длина отобранных образцов в полости гильз; R_к - внутренний радиус колонны без отложений; r - радиус конического толкателя на максимальной плоскости точки прикосновения сферического упора гильз с коническим толкателем (определяемый по оставленным следам); L - длина пробоотборных гильз со сферическим упором.

Создание избыточного давления для осуществления способа в основном требуется при исследовании колонны с заданными глубинами, близкими к устью скважины. При этом величина действующих радиальных сил выдвижения пробоотборных гильз, создаваемых гидростатическим столбом жидкости, становится недостаточной для внедрения гильз в сверхплотные солевые отложения на стенках колонны. Для этого устье скважины герметизируют и после остановки пробоотборного устройства на заданных глубинах на устье скважины создают необходимое избыточное давление для разрыва диафрагмы соответствующих секций устройства.

Технология легко реализуется в процессе подземного или капитального ремонта скважин.

Новая совокупность заявленных существенных признаков позволяет за один спуск глубинного устройства в скважину произвести одновременно количественную и качественную оценку образовавшихся твердых отложений на поверхности стенок обсаженной скважины для выбора наиболее эффективного метода очистки ее колонны, базирующегося на основе знания свойств отложений, таких как механическая прочность и химический состав.

Техническое решение также позволяет за один спуск пробоотборного устройства осуществить боковой отбор образцов горных пород из стенок необсаженной скважины с большими интервалами отбора пород по глубине скважины.

Источники информации 1. П.Н.Лаврушко. Подземный ремонт скважин. - М.: Недра, 1969, с. 272.

2. А.С. 1382937, кл. Е 21 В 47/08, 23.03.86.

3. А.С. 1268718, кл. Е 21 В 49/06, 07.11.86.

Формула изобретения

1. Способ исследования отложений, образовавшихся на стенках эксплуатационной колонны скважины, включающий заполнение скважины без насосно-компрессорных труб жидкостью глушения и спуск в нее измерительного устройства, определение продольного профиля и состава твердых отложений по глубине колонны, отличающийся тем, что на каждой заданной глубине с помощью многосекционного пробоотборного устройства осуществляют секционный отбор образцов твердых отложений со стенок колонны не менее чем в трех точках, равномерно расположенных по внутренней ее окружности, при этом срабатывание каждой секции по глубине скважины производят поочередно при соответствующих величинах гидростатического давления столба жидкости или созданием необходимого избыточного давления на устье скважины, а затем на поверхности производят измерение толщины и физико-химический анализ отобранных образцов.

2. Устройство для исследования образовавшихся отложений на стенках эксплуатационной колонны скважины, содержащее узел канатной подвески, корпус с радиальными цилиндрами и размещенные в нем с возможностью радиального перемещения пробоотборные втулки, гидромеханический силовой механизм выдвижения втулок, отличающееся тем, что оно состоит из нескольких последовательно соединенных автономных секций, каждая из которых снабжена в корпусе тремя радиальными цилиндрами, расположенными под углом 120^o на одной горизонтальной плоскости, и размещенными в них пробоотборными втулками, выполненными в виде ступенчатых гильз со сферическими упорами, боковыми перепускными продольными каналами и зубчатыми насечками, выполненными во внутренней поверхности, двумя патрубками, подсоединенными к корпусу снизу и сверху, в цилиндрических камерах которых размещен гидромеханический силовой механизм, изолированный от жидкостной среды диафрагмой, рассчитанной на заданное давление разрыва и установленной в верхнем патрубке под его боковыми отверстиями, гидравлически сообщающими диафрагму со скважинной жидкостью.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что гидромеханический силовой механизм содержит размещенные в цилиндрических камерах патрубков верхний и нижний поршни, жестко соединенные между собой штоком с коническим толкателем, взаимодействующим со сферическими упорами ступенчатых гильз, причем внутренние полости цилиндрических камер, расположенных над верхним поршнем и под нижним поршнем, гидравлически сообщены при помощи капиллярного канала, проходящего через оси поршней и штока, с фильтрующим элементом на верхнем поршне, при этом диаметр верхнего поршня меньше, чем диаметр нижнего, а поверхность конического толкателя имеет тонкий слой покрытия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2