Скважинное устройство электрического каротажа обсаженной скважины
Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважины и предназначено для определения удельного электрического сопротивления пластов горных пород, окружающих обсаженную металлической колонной скважину. Сущность: скважинное устройство состоит из наземного источника тока, геофизического кабеля, корпуса, силового привода, зонда, содержащего электронные блоки и электроды с твердосплавными заостренными вставками. Каждый электрод с твердосплавной заостренной вставкой установлен на одном конце подпружиненного штока, с возможностью его перемещения в плоскости, перпендикулярной оси скважины. На другом конце штока установлен ролик с канавкой под рабочий канат, который кинематически связан с силовым приводом. Рабочий канат проходит через направляющие ролики и выполнен в виде бесконечной ленты или отрезка, один конец которого заякорен. Электрод выполнен в виде конусного наконечника или вращающегося ролика с заостренной сплошной или зубчатой кромкой из твердосплавного материала. Каждый электрод находится в отдельном модуле, которые собираются в одно- и двухэлектродные блоки, а скважинная дека зонда собирается из различных модулей и блоков, включая силовые. На электроды могут подаваться силовые скачкообразные импульсы для лучшего контакта с обсадной колонной. Технический результат: повышение надежности, упрощение конструкции, улучшение контакта электрода с обсадной колонной, обеспечение модульности. 3 з.п. ф-лы, 17 ил.
Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважины и предназначено для определения удельного электрического сопротивления пластов горных пород, окружающих обсаженную металлической колонной скважину.
Известно устройство электрического каротажа обсаженных скважин (Патент РФ №2306582 от 21.11.2005). Оно состоит из пятиэлектродного зонда, выполненного в виде последовательно и равноудаленно расположенных вдоль оси скважины трех измерительных электродов и установленных за пределами измерительных симметрично относительно среднего измерительного электрода двух токовых, наземного источника тока для поочередной подачи электрического тока в токовые электроды и измерителей потенциала электрического поля, гидропривода, связанного через исполнительные механизмы с выдвижными рычажными самоскладывающимися центраторами, на которых размещены электроды в виде твердосплавных шипов с подпружиненными цилиндрическими направляющими. Электроды выполнены в виде конусного острия, внедряемого в обсадную колонну. В устройстве предусмотрен специальный предохранительный блок, срабатывающий от воздействия кабеля, предназначенный для складывания электродов при отказе гидропривода, когда электроды прижаты к обсадной колонне.
Недостатком устройства являются сложность конструкции исполнительных механизмов, невысокая надежность предохранительного устройства в случае отказа привода. Исполнительный механизм представляет собой сложную телескопическую систему из трех полых стаканов с размещенным в них сильфоном, в который подается давление от гидропривода. Телескопическая система хорошо воспринимает осевые нагрузки, но при поперечных высоких нагрузках из-за зазоров в сопрягаемых поверхностях цилиндров, которые имеют малую опорную базу, будет подклиниваться. В аварийной ситуации телескопическая система может испытывать с одной стороны натяжение кабеля в несколько тонн, с другой - вес прибора с весом утяжелителя. Внедрившиеся острия электродов тормозят движение зонда, а телескопическая система испытывает мощные изгибные нагрузки. Положение может осложниться наличием в скважинной жидкости твердых частиц - продуктов коррозии обсадной колонны, которые могут попадать в телескопическую систему и направляющие электрода. В результате вероятность оставления прибора в скважине высокая. Кроме того, для лучшего внедрения электрода в стенку скважины и обеспечения необходимого контакта предлагаемая система попеременной подачи и сброса давления гидропривода электродов не является эффективной и требует большого количества времени.
Известно устройство электрического каротажа обсаженных скважин (Патент РФ №2361245 от 19.02.2008). Оно состоит из корпуса; привода; зонда, содержащего три измерительных электрода, последовательно и равноудаленно расположенных вдоль оси скважины, и двух токовых электродов, установленных за их пределами симметрично относительно среднего измерительного электрода, электроды установлены на раскрывающихся рычажных центраторах, связанных с приводом через исполнительные механизмы и имеющих верхние и нижние рычаги, одни концы которых шарнирно соединены с общими осями; наземного источника тока для поочередной подачи электрического тока в токовые электроды; измерителей потенциала электрического поля среднего измерительного электрода, первой и второй разностей потенциалов электрического поля между крайними измерительными электродами. Привод снабжен вращающимся приводным валом, имеющим участки с винтовыми поверхностями, число которых равно числу исполнительных механизмов; электроды выполнены в виде твердосплавных одинаковых роликов, установленных с возможностью свободного вращения на общих осях рычагов центраторов; периферийные части роликов выполнены в виде острозаточенных кромок; вторые концы верхних рычагов шарнирно связаны с корпусом; каждый исполнительный механизм представляет собой связанную с винтовой частью вала винтовую втулку, ограниченную двумя буртами, на которой установлена обойма, упруго поджатая пружиной к верхнему бурту. Обойма шарнирно связана со вторыми концами нижних рычагов центраторов.
Недостатком устройства, взятого за прототип, являются его дороговизна, сложность конструкции и изготовления исполнительных механизмов, невысокая надежность предохранительного устройства в случае отказа привода. Кроме того, приводной винтовой вал подвержен воздействию скважинной жидкости, содержащей твердые частицы, которые увеличивают износ трущихся винтовых поверхностей и могут вызвать их заклинивание. В сильнозагрязненных и коррелированных скважинах даже применение зубчатых электродов не обеспечивает надежного контакта электрода с обсадной колонной.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является снижение стоимости, упрощение его конструкции, индивидуальный выход каждого электрода с сохранением усилия на него, удобство транспортировки и расширение технологических возможностей зонда.
Техническим результатом изобретения являются исключение резьбовых рабочих элементов, повышение надежности исполнительных механизмов, модульность скважинной части зонда, улучшение контакта электрода с обсадной колонной.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в скважинном устройстве электрического каротажа обсаженной скважины, состоящем из наземного источника тока, геофизического кабеля, корпуса, силового привода, зонда, содержащего электронные блоки и электроды скважинной части многоэлектродного зонда с твердосплавными заостренными вставками, которые имеют возможность прижиматься к стенке металлической колонны скважины, согласно изобретению силовой привод снабжен штоком, имеющим возможность совершать возвратно-поступательные действия; скважинная часть многоэлектродного зонда состоит из автономных блоков, состоящих, в свою очередь, из модулей, каждый из которых включает в себя электрод с твердосплавной заостренной вставкой на одном конце, который выполнен в виде подвижного подпружиненного штока, на другом конце которого установлен свободновращающийся рабочий ролик с канавкой под рабочий канат; рабочий канат кинематически связан со штоком силового привода; неподвижно установлены по обеим сторонам от рабочего ролика свободновращающиеся натяжные и направляющие ролики с канавками под рабочий канат.
Поставленная задача достигается также тем, что два однотипных модуля с установленными на каждом из них одним рабочим роликом, двумя натяжными и двумя направляющими роликами и соединенных друг с другом оппозитно и через которые проходит один рабочий канат, выполненный в форме кольца, образуют вместе автономный двухэлектродный блок.
Поставленная задача достигается также тем, что модуль, содержащий один электрод с рабочим роликом, один натяжной и один направляющий ролики, в котором один конец рабочего каната закреплен неподвижно, а другой кинематически связан со штоком силового привода, образуют вместе автономный одноэлектродный блок.
Поставленная задача достигается также тем, что в скважинном устройстве электрического каротажа обсаженной скважины установлены по крайней мере на его верхнем и нижнем концах центраторы, например, рычажные, рессорные или эластичные.
На фиг. 1 изображена схема верхнего одноэлектродного модуля устройства с коническим электродом в транспортном положении с переходом одного конца рабочего каната в смежный одноэлектродный модуль, а другого - на силовой модуль проходящего между модулем и крышкой устройства со сдвигом в сторону от центральной линии модуля. На фиг.2 изображена схема нижнего одноэлектродного модуля устройства с коническим электродом в транспортном положении с переходом одного конца рабочего каната в смежный одноэлектродный модуль, а другого - на силовой модуль проходящего между модулем и крышкой устройства со сдвигом в сторону от центральной линии модуля. На фиг. 1 и фиг. 2 изображены концы рабочего каната, которые расположены на одной стороне зонда. На фиг. 3 изображена схема верхнего одноэлектродного модуля устройства с коническим электродом в транспортном положении с переходом одного конца рабочего каната в смежный одноэлектродный модуль, а другого - на силовой модуль проходящего по центру между модулем и крышкой устройства. На фиг. 4 изображена схема нижнего одноэлектродного модуля устройства с коническим электродом в транспортном положении с переходом одного конца рабочего каната в смежный одноэлектродный модуль, а другого - на силовой модуль проходящего по центру между модулем и крышкой устройства. На фиг. 3 и фиг. 4 изображены концы рабочего каната, которые расположены на разных сторонах зонда ближе к модулю. На фиг. 5 изображено автономное двухэлектродное устройство с одним общим рабочим канатом (рабочий канат расположен на одной стороне зонда). На фиг. 6 изображено автономное двухэлектродное устройство с одним общим рабочим канатом (рабочий канат расположен по центру, но на разных сторонах зонда). На фиг. 7 изображена схема одноэлектродного модуля устройства с коническим электродом в рабочем положении. На фиг. 8 изображена схема одноэлектродного модуля устройства с электродом в виде твердосплавного заточенного вращающегося ролика в рабочем положении. На фиг. 9 показан силовой модуль с натяжителем для шестиэлектродного зонда, а на фиг. 10 - он же, но с поворотом на 90 градусов. На фиг. 11 изображены два варианта вставок для соединения одноэлектродных модулей и блоков друг с другом. На фиг. 12 изображен нижний конец зонда с отверстием для подвески дополнительного груза. На фиг. 13 изображена схема верхнего одноэлектродного модуля устройства с коническим электродом в транспортном положении с закрепленным одним концом рабочего каната, а другим - проходящим на силовой модуль по центру одноэлектродного модуля. На фиг. 14 изображена схема верхнего одноэлектродного модуля устройства с коническим электродом в транспортном положении с переходом одного конца рабочего каната в смежный одноэлектродный модуль, а другого - на силовой модуль проходящего по центру между модулем и крышкой устройства. На фиг. 15 изображена схема нижнего одноэлектродного модуля устройства с коническим электродом в транспортном положении с переходом одного конца рабочего каната в смежный одноэлектродный модуль, а другого - на силовой модуль проходящего по центру между модулем и крышкой устройства. На фиг. 15 и фиг. 14 изображены концы рабочего каната, которые расположены на разных сторонах зонда ближе к кожуху. На фиг. 16 показано поперечное сечение верхней части ближайшего модуля от силового модуля с пятиэлектродным и семиэлектродным вариантами изготовления скважинной части зонда и расположения рабочих канатов. На фиг. 17 показано поперечное сечение верхней части ближайшего модуля от силового модуля с шестиэлектродным и восьмиэлектродным вариантами изготовления скважинной части зонда и расположения рабочих канатов.
Скважинное устройство электрического каротажа обсаженных скважин в пятиэлектродном варианте состоит из двух автономных двухэлектродных блоков, каждый из которых состоит из двух оппозитно соединенных модулей М (фиг. 5) и одного модуля Z (фиг. 13), расположенного первым от силового блока. В шестиэлектродном варианте скважинное устройство электрического каротажа обсаженных скважин состоит из двух автономных двухэлектродных блоков, каждый из которых состоит из двух оппозитно соединенных модулей М (фиг. 5) и одного автономного двухэлектродного блока из двух оппозитно соединенных модулей Н (фиг. 6). В семиэлектродном варианте скважинное устройство электрического каротажа обсаженных скважин состоит из двух автономных двухэлектродных блоков, каждый из которых состоит из двух оппозитно соединенных модулей М (фиг. 5), одного автономного двухэлектродного блока из двух оппозитно соединенных модулей Н (фиг. 6) и одного модуля Z (фиг. 13), расположенного первым от силового блока. В восьмиэлектродном варианте скважинное устройство электрического каротажа обсаженных скважин состоит из двух автономных двухэлектродных блоков, каждый из которых состоит из двух оппозитно соединенных модулей М (фиг. 5), одного автономного двухэлектродного блока из двух оппозитно соединенных модулей Н (фиг. 6) и одного автономного двухэлектродного блока из двух оппозитно соединенных модулей Х (фиг. 14) В девятиэлектродном варианте скважинное устройство электрического каротажа обсаженных скважин состоит из двух автономных двухэлектродных блоков, каждый из которых состоит из двух оппозитно соединенных модулей М (фиг. 5), одного автономного двухэлектродного блока из двух оппозитно соединенных модулей Н (фиг. 6), одного автономного двухэлектродного блока из двух оппозитно соединенных модулей Х (фиг.) и одного модуля Z (фиг. 13), расположенного первым от силового блока. Независимо от количества электродов в скважинной части зонда собранные в одну линейку модули и блоки представляют из себя скважинную деку зонда. Модуль М (фиг. 1 и 2) состоит из двух частей Е и К, соединенных вместе по плоскости оси зонда, например, при помощи болтов (не показаны). Модуль Н (фиг. 3 и 4) состоит из двух частей Р и Т, соединенных вместе по плоскости оси зонда, например, при помощи болтов (не показаны). Модуль Х (фиг. 15 и 14) состоит из двух частей R и S, соединенных вместе по плоскости оси зонда, например, при помощи болтов (не показаны). Модуль Z (фиг. 13) состоит из двух частей V и W, соединенных вместе по плоскости оси зонда, например, при помощи болтов (не показаны). В каждом модуле М, Н и Х находится шток 1 с твердосплавным конусным электродом 2 на выходящем наружу конце штока 1 (фиг.1). На другом конце штока 1 на подвижной платформе 3 установлен свободновращающийся рабочий ролик 4. Шток 1 находится в направляющей 5. Между подвижной платформой 3 и направляющей 5 установлена возвратная пружина 6. В плоскости свободновращающегося рабочего ролика 4, симметрично штоку 1, по его сторонам, установлены свободновращающийся натяжной ролик 7 и свободновращающийся натяжной ролик 8. Для расположения рабочих канатов 9 в расчетных местах на модулях М, Н и Х установлены направляющие ролики 10, плоскость вращения каждого имеет свой расчетный угол наклона Ω к центральной плоскости модуля в зависимости от расположения рабочих канатов 9. Все ролики 4, 7, 8 и 10 имеют с наружной стороны канавки под рабочий канат 9 и расположены таким образом, чтобы передавать максимальное усилие натяжения рабочего каната 9 на шток 1. В варианте, когда вместо твердосплавных конусов 2 установлены вращающиеся твердосплавные, заостренные по наружной окружности, колеса 12 (фиг. 8), каждый шток 1 находится в направляющей втулке 14, имеющей паз 28 под колеса 12. Если диаметр колеса 12 меньше диаметра штока 1, то наличие паза 28 под колесо 12 в направляющей втулке 14 не является необходимой. Силовая секция 15 соединена (фиг. 9 и 10) своим верхним концом к геофизическому кабелю 16, а нижним концом к верхнему концу верхнего модуля зонда. Силовая секция 15 может быть исполнена в виде электромеханического привода, электросоленоида и т.д. Силовая секция 15, находящаяся в корпусе 13, имеет подвижный силовой шток 19 с приспособлением 17, к которому присоединены рабочие канаты 9, через демпферные пружины 18. В силовой секции 15 находится возвратная пружина силового штока 19 (не показана). Для обеспечения необходимого контакта в сильнозагрязненных и коррелированных скважинах на соленоид может подаваться расчетное скачкообразное напряжение для обеспечения импульсного силового воздействия на электроды с расчетной амплитудой и частотой. Рабочий канат 9 может быть в виде кольца, имеющего определенный размер, или изготавливаться из определенного размера отрезка каната и соединяться, например, хомутом или торцевым сплетением. Устройство защищено секционными кожухами 11, которые могут устанавливаться на модули, например, при помощи винтов (не показаны). Рабочие ролики 4, натяжные ролики 7 и 8 и направляющие ролики 10 расположены так, чтобы при натяжении рабочих канатов 9 создавать максимальные усилия на шток 1, но не создавая при этом друг другу помех. Кроме того, демпферные пружины 18 помогают устранить дисбаланс при неодинаковой степени выхода штоков 1 в рабочем положении зонда. Устройство проводит измерения в обсаженной скважине 20, заполненной скважинной жидкостью 21. Для установки между электродами определенных расстояний между модулями М, Н и Х может быть установлен переходной модуль 22 (фиг. 11) расчетного размера в двух различных вариантах А и В. При необходимости подвески дополнительного груза на зонд на самый низ собранного зонда может быть установлен грузовой модуль 23 с отверстием 24 для подвески груза (фиг. 12). Для придания жесткости всей скважинной деки зонда модульная схема зонда может собираться на продольных направляющих (штанги, балки и т.д.). В устройстве электрического каротажа обсаженных скважин для осуществления замеров необходимо иметь минимально пять электродов. В шестиэлектродном варианте в случае отказа одного из электродов путем запрограммированного переключения можно заменить отказавший электрод на имеющийся в запасе шестой электрод. Для работы в варианте с нечетным количеством электродов на скважинной деке зонда между комплексом из блоков с парными электродами и силовой секцией устанавливается одноэлектродный модуль Z, представляющий из себя автономный одноэлектродный блок, состоящий из двух частей V и W, соединенных вместе по плоскости оси зонда, например, при помощи болтов (не показаны), в которых установлены рабочий ролик 4, натяжной ролик 8 и направляющий ролик 10. Рабочий канат 25 с расчетной длиной, проходя через них, закрепляется одним концом в якорном устройстве 26, а другим концом, пройдя через центральное отверстие 27 в модуле Z, присоединяется через пружину 18 к приспособлению 17 силового штока 19.
Скважинное устройство электрического каротажа обсаженных скважин работает следующим образом. Рассмотрим его шестиэлектродный вариант (пять рабочих электродов и один запасной). После спуска устройства в обсаженную скважину 20 в транспортном положении и его установки на заданной глубине включается силовой привод 15 и подвижный силовой шток 19, двигаясь в осевом направлении вверх, начинает натягивать рабочие канаты 9, которые передают усилия через систему роликов 4, 8, 9 и 10 на шток 1, которые, в свою очередь, выдвигаясь из направляющих 5, доходят до внутренней стенки обсадной колонны скважины 20 и внедряются в нее острой кромкой ролика 12 или острием конуса 2. После достижения расчетного усилия на шток 1 и появления электрического контакта производится замер параметров. При отсутствии контакта какого-нибудь электрода производится дополнительный натяг рабочих канатов 9 для более глубокого внедрения роликов 12 или конусов 2 в обсадную колонну 20. После осуществления замеров подвижный силовой шток 19 возвращается в исходное положение, натяжение рабочих канатов 9 ослабевает, усилие сжатых возвратных пружин 6 втягивает шток 1 в модули. Освобожденное устройство свободно передвигается внутри обсадной колонны 20 до места следующего замера. При проведении замеров можно втягивать шток 1 не до транспортного положения, а только до прекращения касания роликом 12 или конусом 2 обсадной колонны 20 и передвижки устройства на небольшое расстояние до точки следующего замера, особенно при наличии центраторов, которые будут удерживать устройство приблизительно на осевой линии скважины. При применении устройства электрического каротажа обсаженных скважин с количеством электродов более пяти в случае невозможности установления электрического контакта какого-нибудь электрода путем соответствующего переключения на дополнительный электрод и корректировки электрической схемы замера можно без дополнительной переустановки устройства в скважине произвести замер. Это поможет сократить общее время каротажа и износ оборудования. В случае недостаточности усилия развиваемого силовым блоком для внедрения электродов в обсадную колонну можно на один силовой блок устанавливать только такое количество электродных блоков, которое обеспечит их гарантированную работоспособность, и применять в скважинной части многоэлектродного зонда каскад таких комбинированных блоков. В этом случае на силовых блоках необходимо иметь конструкционные элементы, аналогичные для соединения модулей, для их стыковки с соседними комбинированными блоками. Как вариант можно использовать два силовых блока, установленных на концах скважинного девятиэлектродного зонда, с использованием центрального, пятого, электрода как общего для верхней и нижней пятиэлектродных секций. В тяжелых случаях можно на каждый электродный блок устанавливать свой индивидуальный силовой блок. С целью лучшего прорезания корродированного слоя обсадной колонны кромка электрода может быть выполнена зубчатой формы (в виде звездочек). В случае отключения электричества, обрыва кабеля или другой нештатной ситуации возвратная пружина (не показана) возвращает подвижный силовой шток 19 в исходное положение, канаты 9 ослабевают, и возвратные пружины 6 возвращают шток 1 в транспортное положение. Наличие роликов 12, расположенных вдоль устройства, позволяет катить устройство внутри обсадной колонны даже при отказе аварийной автоматики или проводить каротаж непрерывно в процессе подъема устройства. Конусы 2 применяются при сильно корродированной внутренней поверхности обсадной колонны, когда ролики 12 не могут обеспечить надежный контакт с металлическим телом обсадной колонны. Скважинная дека зонда необходимых конфигурации и количества электродов собирается из нескольких модулей или автономных блоков, что позволяет обеспечить легкую сборку и разборку скважинной деки зонда непосредственно на скважине, а также его удобную транспортировку.
Изобретение позволяет при более простой конструкции устройства снизить стоимость устройства и производимых работ и расширить качественные и количественные возможности электрического каротажа, что дает повышение скорости проведения исследования скважин, снижение трудовых и материальных затрат.
1. Скважинное устройство электрического каротажа обсаженной скважины, состоящее из наземного источника тока, геофизического кабеля, корпуса, силового привода, зонда, содержащего электронные блоки и электроды скважинной части многоэлектродного зонда с твердосплавными заостренными вставками, которые имеют возможность прижиматься к стенке металлической колонны скважины, отличающееся тем, что силовой привод снабжен штоком, имеющим возможность совершать возвратно-поступательные действия; скважинная часть многоэлектродного зонда состоит из автономных блоков, состоящих, в свою очередь, из модулей, каждый из которых включает в себя электрод с твердосплавной заостренной вставкой на одном конце, который выполнен в виде подвижного подпружиненного штока, на другом конце которого установлен свободновращающийся рабочий ролик с канавкой под рабочий канат; рабочий канат кинематически связан со штоком силового привода; неподвижно установлены по обеим сторонам от рабочего ролика свободновращающиеся натяжные и направляющие ролики с канавками под рабочий канат.
2. Скважинное устройство электрического каротажа обсаженной скважины по п. 1, отличающееся тем, что два однотипных модуля с установленными на каждом из них одним рабочим роликом, двумя натяжными и двумя направляющими роликами и соединенных друг с другом оппозитно и через которые проходит один рабочий канат, выполненный в форме кольца, образуют вместе автономный двухэлектродный блок.
3. Скважинное устройство электрического каротажа обсаженной скважины по п. 1, отличающееся тем, что модуль, содержащий один электрод с рабочим роликом, один натяжной и один направляющий ролики, в котором один конец рабочего каната закреплен неподвижно, а другой кинематически связан со штоком силового привода, образуют вместе автономный одноэлектродный блок.
4. Скважинное устройство электрического каротажа обсаженной скважины по п. 1, отличающееся тем, что на нем установлены по крайней мере на его верхнем и нижнем концах центраторы, например, рычажные, рессорные или эластичные.
