Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для проведения геофизических исследований (варианты)

Область техники

Изобретение относится к горному делу и может быть применено для проведения геофизических и иных исследований без предварительного извлечения бурового инструмента из скважины с любым закачиванием (вертикальных, наклонных, горизонтальных, сложно профильных).

Уровень техники

Известно устройство для доставки геофизического прибора или сервисного оборудования в горизонтальную скважину, получившее название «скважинный трактор» [патент РФ №2487230, опубл. 10.07.2013]. Трактор содержит цилиндрический корпус с установленным в нем электродвигателем, шарнирно установленными расклинивающими опорами, и, по крайней мере, одну секцию с движителем, выполненным в виде установленных в корпусе колес с радиусом закругления, равным радиусу исследуемой скважины. При этом трактор дополнительно снабжен насосом с приводом от электромотора, гидромотором с цепным приводом на колеса, а также активатором расклинивающих опор. В корпусе может быть установлен дополнительный электродвигатель для активатора расклинивающих опор. Доставку геофизических приборов с помощью него осуществляют следующим образом. Скважинный трактор соединяют муфтой с геофизическим прибором и геофизическим кабелем и спускают в скважину. При достижении трактором горизонтального участка скважины включают электродвигатель, который приводит в движение активатор расклинивающих опор. Расклинивающие опоры раздвигаются, и колеса трактора упираются в стенки скважины. При достижении необходимой силы прижима активатор расклинивающих опор прекращает их раздвигать. Крутящий момент от электродвигателя передается на насос, приводящий в действие гидромотор. С гидромотора через цепную передачу приводятся в движение колеса. Перемещаясь вдоль горизонтальной части ствола скважины в направлении к ее забою, трактор тянет за собой геофизический кабель. Для подъема скважинного трактора из скважины включают активатор расклинивающих опор в обратном направлении, при этом расклинивающие опоры складываются и скважинный трактор извлекается путем наматывания геофизического кабеля на бухту каротажного подъемника. Данный способ является достаточно доргостоящим в том числе и в сервисе и аварийным. Кроме того, существенным недостатком данного способа является то, что трактор необходимо располагать по центру скважины, что ведет к перекрытию потока буровой жидкости.

Известен специальный геофизический кабель для исследования наклонных и горизонтальных скважин, обладающий повышенной жесткостью, что позволяет с помощью этого кабеля не только опускать приборы в скважину, но и проталкивать их на забой горизонтальных скважин [патент РФ №2087929, опубл. 20.08.1997]. Геофизический кабель состоит из токоведущих жил, электрической изоляции, двухслойного повива брони, поверх которой нанесено покрытие из пластичного материала толщиной, дополнительная двухслойная броня с взаимно противоположным повивом и промежутками между отдельными проволоками в повивах, поверх которой нанесено общее покрытие из пластичного материала, заполняющего промежутки между проволоками. Недостатком является то, что жесткий геофизический кабель не гарантирует доставку приборов к забоям скважин, имеющих протяженную горизонтальную часть. Кроме того, такой кабель имеет свойство сохранять остаточную деформацию, вызванную намоткой на барабан лебедки каротажного подъемника. Это приводит к чередующимся с неравномерным движением остановкам приборов в стволе скважины при выполнении измерений. Поэтому при интерпретации полученных данных каротажа возникают большие трудности в увязке глубин, и все это в конечном итоге приводит к ошибочным выводам при интерпретации каротажных диаграмм, зарегистрированных за несколько спусков и подъемов в условиях быстро меняющихся динамических процессов при освоении эксплуатационных скважин. Существенно так же, что жесткий кабель обеспечивает успешную доставку стандартных скважинных приборов к забоям лишь сильно пологих скважин, значения зенитных углов в которых не превышают 70-75 градусов.

Из патента РФ №2520733, опубл. 27.06.2014 известна скважинная геофизическая аппаратура, содержащая геофизический кабель с кабельным наконечником и герметичный корпус с находящимися внутри него датчиками для регистрации параметров геофизического поля, например сейсмоприемниками. В герметичный корпус и в кабельный наконечник дополнительно введены модули радиосвязи, а верхняя часть герметичного корпуса и нижняя часть кабельного наконечника выполнены в виде радиопрозрачных окончаний с возможностью информационного обмена между модулями радиосвязи. Основным недостатком использования данной аппаратуры является использование в нем обычного геофизического кабеля, который невозможно протолкнуть к прикрепленным к концу буровой колонны насосно-компрессорных труб (НТК) приборам в случае горизонтальных скважин.

Известен способ спуска геофизических приборов на нужную глубину, раскрытый в патенте РФ №2563855, опубл. 20.09.2015, где поставленная цель достигается тем, что колонну НКТ перемещают вместе с содержащимся в ней отрезком кабеля в горизонтальную часть ствола на расстояние, соизмеримое с вертикальной частью ствола, затем, по крайней мере, один раз дополнительно в колонну НКТ опускают отрезок кабеля такой же длины с возможностью механического и бесконтактного радиоволнового соединения его нижнего конца с верхним концом содержащегося в скважине отрезка кабеля, при этом каждый дополнительный отрезок каротажного кабеля поочередно опускают и прижимают к колонне насосно-компрессорных труб. Реализация способа требует проведение сложных технологических операций, а для проведения исследований необходимо полное извлечение труб из скважины.

Наиболее близким техническим решением является устройство для каротажа горизонтальных скважин, известное из патента РФ №2353955, опубл. 27.04.2009, которое содержит спускаемые в скважину автономные геофизические модули, соединенные между собой в сборку, к верхней части которой присоединено средство для соединения сборки с колонной буровых труб, а также наземный комплекс, включающий глубиномер и персональный компьютер, при этом сборка содержит модули гамма-каротажа, трехзондового нейтрон-нейтронного каротажа, многозондового электрического бокового каротажа, волнового акустического каротажа, акустического профилемера, инклинометра, при этом в нижней части сборки установлено сопло для выхода промывочной буровой жидкости в затрубное пространство при промывке скважины, а каждый автономный геофизический модуль содержит автономный блок питания, блоки преобразования сигналов и памяти. Однако, для проведения работ необходима длительная остановка скважины, что в ряде случаев, является не допустимым из за высокой степени аварийности.

Сущность изобретения

Технический результат, получаемый при реализации разработанных технических решений, состоит в проведении геофизических исследований в скважинах с любым закачиванием без предварительного извлечения бурового инструмента, сокращении времени на проведение геофизических и иных исследований в скважинах, снижении аварийности этого вида работ, и в повышении информативности геофизических исследований различных скважин.

Заявленный технический результат достигается применением устройства для геофизического исследования скважины по первому варианту, включающем сборку скважинных геофизических и иных приборов, снабженную транзитной линией электронной связи, при этом устройство установлено непосредственно в колонне бурильной или насосно-компрессорной трубы, соосно установленные кожух для защиты и транспортировки сборки приборов и направляющую трубу с коаксиально расположенными отверстиями, камеру управления, в виде полости между кожухом и трубой, сборку приборов, в верхней части выполненную с плечом и хвостовиком, и жестко скрепленную в нижнем окончании посредством муфты с бурильной трубой, универсальное отстыковочно-стыковочное устройство с цанговым захватом, установленное в кожухе в верней части посредством муфты, жестко скрепленной с бурильной трубой, конусную втулку, установленную в направляющей трубе, для взаимодействия с цанговым захватом отстыковочно-стыковочного устройства.

Заявленный технический результат достигается применением устройства для геофизического исследования скважины по второму варианту, установленного непосредственно в колонне бурильной или насосно-компрессорной трубы, включающем сборку скважинных геофизических и иных приборов, снабженную транзитной линией электронной связи, соосно установленные кожух для защиты сборки приборов и направляющую трубу с каналами внутри, сборку приборов, закрепленную в верхней части на направляющей трубе, а в нижней посредством концевой муфты с бурильной трубой, муфта выполнена с подпружиненными шариками для фиксации защитного кожуха при спуске и каналами для прохода промывочной жидкости во время бурения, на внутренней поверхности кожуха выполнены кольцевые выступы, образующие верхнее и нижнее плечо.

Описание изобретения

Устройство установлено непосредственно в колонне бурильной или насосно-компрессорной трубы в специальной трубе - кожухе. Диаметр кожуха определяется как максимально допустимый для беспрепятственного бурения. В кожухе специальным образом устанавливается сборка скважинных геофизических и иных приборов, при этом свободное пространство между приборами и кожухом достаточно для беспрепятственного прохождения промывочной жидкости. Механизм, которым верхняя часть жесткой сборки геофизических и иных приборов присоединена к кожуху, снабжен универсальным отстыковочно-стыковочным устройством. Для расстыковки приборов от кожуха в отстыковочное устройство под воздействием потока промывочной жидкости доставляется ключ, что приводит к отстыковке сборки геофизических и иных приборов от кожуха, а кожуха от буровой колоны. Отстыковавшись от удерживающего геофизические приборы в кожухе устройства, сборка геофизических приборов, жестко скрепленная в нижнем окончании с буровой колонной, телескопически выдвигается под воздействием потока промывочной жидкости или силы тяжести и трения из кожуха Рис. 1 или в зависимости от типа устройства выдвигается кожух Рис. 2. Движение кожуха после обнажения сборки приборов останавливается при помощи ограничителей. Отсоединение сборки от кожуха синхронизировано с включением приборов и проведением записи геофизической информации. Длина кожуха определяется длиной сборки геофизических приборов. В сборку геофизических приборов могут входить все основные приборы необходимые для качественного изучения геологического разреза скважины:

- модуль ГГК (литоплотностной гамма-гамма каротаж);

- модуль (АК) - (широкополосный акустический каротаж);

- модуль ННК (двуххзондовый нейтрон-нейтронный каротаж);

- модуль ГК - (гамма каротаж);

- модуль СГК (спектрометрического гамма каротаж);

- модуль ЭК (четырехзондового электрического каротажа);

- модуль - имиджер (электрический или акустический сканер);

- модуль АКП (акустический профилимер);

- модуль ЯМК (ядерный магнитный каротаж);

- модуль ГДК (гидродинамический каротаж);

- модуль ВСП (вертикальное сейсмическое профилирование);

- модуль гироинклинометра.

- модуль «Пи Ди Кей» (термометр, дебитомер, влагомер)

Все приборы соединены между собой транзитной высокопроизводительной линией электронной связи. В верхнем окончании сборки приборов расположен управляющий модуль. Информация, получаемая в процессе записи, записывается в память в каждом модуле и в устройство памяти управляющего модуля. При обратной стыковке сборки приборов в кожух питание приборов отключается. Приборы демпфируются, и продолжается бурение. В зависимости от характеристики скважин используется два варианта устройств Рис. 1 и Рис. 2

Краткое описание чертежей

На Рис. 1 приведена принципиальная схема устройства по первому варианту для горизонтального бурения.

На Рис. 2 приведена принципиальная схема устройства по второму варианту для вертикальных пологих эксплуатационных скважин.

Осуществление изобретения

На Рис. 1 показан первый вариант устройства для геофизического исследования скважины. Устройство состоит из сборки геофизических приборов 1 снабженной хвостовиком в виде грибка 16. Соосно сборке геофизических приборов 1 расположены кожух для транспортировки сборки 3 и направляющая труба 4. В направляющей трубе посредством крепежных винтов 6 установлена конусная втулка 5. В переходной муфте 2, крепящейся на бурильной трубе 17, находится универсальное отстыковочно-стыковочное устройство с цанговым захватом 7, причем, цанговый захват устройства в исходном состоянии и пружина 8 удерживает сборку геофизических приборов за хвостовик в виде грибка. Устройство снабжено сальниковыми уплотнениями 10. Сборка геофизических приборов нижней частью закреплена в концевой муфте 11, которая вкручивается в бурильную трубу 17. В направляющей трубе коаксиально расположены отверстия 13, а кожух для транспортировки сборки и направляющая труба образуют камеру управления 12. В нижней части направляющей трубы расположен ограничитель хода 18. Сборка геофизических приборов в верхней части имеет плечо 14.

Устройство работает следующим образом. Для вывода сборки скважинных геофизических и иных приборов из защитного кожуха на седло отстыковочно-стыковочного устройства 7 по бурильным трубам промывочной жидкостью спускают шар 15. Шар перекрывает давление промывочной жидкости. Отстыковочно-стыковочное устройство с цанговым захватом 7 начинает перемещение, наезжает цангами на конусную втулку 5 и освобождает от захвата грибок хвостовика 16 сборки скважинных геофизических приборов 1. Далее сборка скважинных геофизических и иных приборов 1 начинает перемещение относительно направляющей трубы. Жидкость из под плеча 14 сборки 1 перетекает по отверстиям 13 в камеру управления 12. При работе сборки приборов, давление в трубах должно быть сброшено. Таким образом, сборка скважинных геофизических и иных приборов готова к работе.

Для подъема сборки скважинных геофизических и иных приборов 1 в исходное состояние необходимо повысить давление промывочной жидкости в бурильных трубах. Остыковочно-стыковочное устройство с цанговым захватом 7 переместится, открывая отверстия 13 вверху. Промывочная жидкость под давлением по отверстиям 13 и камере управления 12, попадает под плечо 14 сборки геофизических приборов и, создавая перепад давлений, перемещает ее вверх. Оставшаяся промывочная жидкость из коаксиальной камеры между приборной частью 1 и направляющей камерой 12 через отверстия винтах 9 сбрасывается в затрубное пространство. В исходном состоянии сборки геофизических приборов цанговый захват остыковочно-стыковочного устройства захватывает грибок хвостовика 16. Таким образом, сборка геофизических приборов приведена в исходное состояние.

Принципиальная схема устройства по второму варианту, приведенная на Рис. 2, наиболее эффективна для работ в вертикальных пологих эксплуатационных скважинах.

Устройство Рис. 2 состоит из сборки геофизических приборов 1, закрытой защитным кожухом 4, и закрепленной одним концом к направляющей трубе 2, которая неподвижно крепится через переходную муфту 3 непосредственно к бурильной трубе 13. Причем направляющая труба 2 имеет канал 8, диаметр которого равен внутреннему диаметру бурильных труб и каналам 9, общая площадь, которых равна площади канала 8. Нижний конец сборки геофизических приборов 1 закреплен в переходной муфте 5, а та в свою очередь крепиться к бурильной трубе 14. Для фиксации защитного кожуха 4, при отсутствии давления промывочной жидкости в бурильных трубах при спуске, на переходной муфте 5 предусмотрены подпружиненные шарики 6, входящие в канавку защитного кожуха 4. Промывочная жидкость во время бурения проходит по каналам 8 и 9 и проточке 7 направляющей трубы 4, и каналам 10 переходной муфты 5. На внутреннем диаметре защитного кожуха имеются кольцевые выступы, образующие верхнее плечо 11 и нижнее плечо 12. Причем плечи выполнены разновеликими и площадь нижнего плеча 12 больше площади верхнего плеча 11. В таком виде устройство крепится к бурильному инструменту, и вместе с этим инструментом выполняет функции бурения с промывкой, ничем не препятствуя проведению бурильных работ.

Для подготовки устройства по второму варианту к работе необходимо поднять защитный кожух 4 вверх, тем самым открывая сборку приборов 1 для геофизических исследований. Это делается следующим образом. На седло 15 направляющей трубы 2 спускают шар 16. Шар перекроет давление промывочной жидкости в каналах 9 и жидкость пойдет по каналам 17 под верхнее плечо 11, тем самым создавая давление на это плечо и образуя силу подъема защитного кожуха вверх. Кожух двигается вверх до упора нижнего плеча 12 в направляющую трубу 2, причем усилие подпружиненных шариков по сравнению с силой подъема будет несравнимо меньше. По исполнении этой операции сборка геофизических приборов готова к работе.

Для приведения устройства по Рис. 2 в исходное состояние необходимо поднять шар 16. Промывочная жидкость под давлением по каналам 9, пойдет на нижнее плечо 12 и создаст силу на площади этого плеча. За счет разницы площадей нижнего и верхнего плеча защитный кожух 4 переместится вниз, закрывая сборку геофизических приборов 1. Оставшаяся между защитным кожухом и направляющей трубой жидкость через отверстия 18 сбрасывается в затрубное пространство.

Изобретение позволяет проводить как окончательные, так и промежуточные каротажные исследования.

Проведение геофизических и иных исследований скважины по мере технологического подъема бурового инструмента (смена бурового оборудования) до устья скважины. В этом случае роль ключа будет исполнять шар, попадание которого в отстыковочно-стыковочное устройство и приведет к исполнению указанной выше последовательности операций, позволяющей обнажить жесткую сборку приборов в открытом стволе скважины и провести необходимые геофизические исследования. Информация с приборов будет извлечена после подъема приборов на устье скважины.

Проведение промежуточных геофизических и иных исследований скважины в ограниченном интервале ствола скважины, считывание полученной информации посредством беспроводного считывающего устройства, доставляемого к приборам посредством каротажного кабеля. После считывания и анализа полученных данных кабель извлекают из скважины, осуществляют обратную стыковку буровой колоны с буровым инструментом, и продолжают бурение. При необходимости такие промежуточные исследования можно проводить в любом количестве при последующем наращивании длины буровой колоны. Для сокращения времени простоя скважины считывающую (путем бесконтактного радиоволнового соединения) головку промывают во время технологической промывки (проработке) скважины.

В отличие от других методов проведения исследований в скважинах различного профиля (горизонтальных искривленных и обычных вертикальных) изобретение позволяет:

- значительно сократить время на проведение геофизических и иных исследований в скважинах, так как приборы постоянно находятся в забойной части скважины, и приводятся в действие только после начала движения приборной части в кожухе;

- для обеспечения бесперебойной работы геофизического и иного оборудования в жесткую сборку геофизических и иных приборов может конструктивно включатся оборудование, необходимое для генерации электричества и передачи навигационных данных;

- скрытая в защитном кожухе компоновка приборов не создает дополнительных препятствий в процессе бурения, и способствует снижению уровня аварийности бурения;

- дорогостоящая сборка скважинных геофизических приборов при прихвате бурового долота может быть извлечена из скважины за счет превышения предельного разрывного усилия в месте стыковки нижней части приборов с буровой колонной;

- для работы используются наиболее распространенные технические средства.

Другие известные технологии и устройства для геофизических и иных исследований не обладают вышеперечисленными преимуществами.