СКВАЖИННЫЙ СЕЙСМИЧЕСКИЙ ВИБРАТОР Российский патент 1998 года по МПК G01V1/153 

Изобретение относится к устройствам для вибросейсмических исследований в скважинах.

Известны скважинные сейсмических источники с электродинамическими (патент США N 4751688, кл.G 01 V или 4715470), гидравлическими (патент Франции N 9100218, кл. B 06 ) и дебалансными [1, 2]. В источниках используются различные типы управляемых поршневых, рычажных и клиновых механизмов прижима к стенкам скважины. Для эффективной передачи колебаний от корпуса вибратора в горные породы рационален более жесткий, чем рычажный и поршневой, симметрированный прижим к стенкам скважины. В этом плане определенные преимущества имеет устройство с клиновым (цанговым) прижимом [2].

Рычажные прижимы, управляемые через аксиальный шток посредством вращения ходового винта, хорошо отработаны и преобладают в современных конструкциях аппаратурных скважинных снарядов. Центральная часть нажимного штока сообщается с областью высоких давлений скважинной жидкости, но его поверхность с помощью уплотнений надежно герметизирует полость корпуса. Силы от внешнего давления здесь также уравновешены.

Недостатком прототипа являются неудовлетворительная защита и уплотнение ходового винта и гайки цангового прижима от скважинной жидкости, находящейся под высоким давлением. Не устранив этот недостаток, мы вынуждены работать с гидронаполненным корпусом, что приводит к повышению потерь энергии от трения ротора двигателя и дебаланса, вращающихся в жидкости. Поскольку мощность, поставляемая вибратору через каротажный кабель, ограничена, то технические характеристики (частота, амплитуда силы) устройства за счет внутренних потерь снижаются. Более гарантированная герметизация элементов привода прижима и объема вибратора повысит ресурс и надежность работы в условиях скважин.

Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение надежности работы вибратора в условиях высоких давлений в скважинах.

Результат достигается тем, что сопряжение цангового прижима с ходовым винтом выполнено посредством штока, герметизированного кольцевыми уплотнениями по цилиндрической поверхности контакта с корпусом, с внутренним отверстием и резьбой, сочлененной с ходовым винтом, при этом на середине штока выполнены опоры, выходящие через продольные пазы корпуса, и на опорах укреплены лепестки цанги, соединенные с зажимными клиньями.

Соотношение длины и поперечного сечения лепестков цанги выбирается по критерию продольной устойчивости.

Дебаланс вибратора выполнен в виде сектора цилиндра с полостью, заполненной тяжелой жидкостью, например, ртутью.

На чертеже изображен общий вид скважинного сейсмического вибратора.

Вибратор состоит из двигателя 1, соединенного валом с дебалансным вибровозбудителем 2, который через муфту 3 сочленяется с редуктором 4, выходом которого служит ходовой винт 5, приводящий в действие цанговый прижим. В корпусе 6 установлен с возможностью аксиального перемещения шток 7 с кольцевыми уплотнениями 8 по наружной поверхности и внутренним отверстием 9 с резьбой, сочлененной с ходовым винтом. На середине штока выполнены опоры 10, выходящие через продольные пазы 11 корпуса. На опорах нажимного штока укреплены лепестки 12 цанги, зажимные клинья 13 жестко скреплены с другой стороной лепестковых пластин. Электропитание и управление осуществляется через каротажный кабель 14.

Скважинный вибратор опускают в скважину на кабеле. При остановках на заданных глубинах источник прижимается к стенкам скважины и, плавно увеличивая частоту в течение 10-100 с, передает колебания, создаваемые дебалансным возбудителем в горные породы. В скважинах, заполненных жидкостью, давление велико. Работа в скважинах требует повторения многих десятков операций "прижим - зондирование - отжим" и поэтому, для повышения надежности, желательно герметизировать функционально важные узлы, к числу которых относятся и элементы привода цангового прижима.

В транспортном положении шток 7 находится в нижней части корпуса и клинья 13 спущены вниз по направляющим и утоплены в проходном габарите снаряда. Прижим производится посредством двигателя 1 на малой частоте вращения, когда включена муфта сцепления 3. За счет редуктора 4 момент вращения увеличивается и передается на ходовой винт 5, смещая сопряженный с ним нажимной шток 7 вверх. Размещенные на середине штока опоры 10, перемещаясь в пазах 11 корпуса 6, через пластины 12 цанги надвигают клинья 13 и прижимают снаряд к стенкам скважины.

В сравнении с прототипом, где в корпусе уплотнялся вращающийся вал, предложенное решение с уплотнением при аксиальном смешении штока принято считать более надежным. В данном решении гидростатическое давление на привод прижима уравновешено, в то время как в вибраторе по [1] имела место неуравновешенная сила от внешнего давления на выход винта. Винтопара, работавшая в скважинном растворе, здесь также защищена. Отверстие 9 исключает защемление воздуха под штоком и его торможение.

Продольное усилие P_п, вдавливающее снизу клинья 13 враспор со стенками скважины, следует нормировать (ограничить), иначе возникает риск не вернуть их назад силами привода. Необходимо также сохранить это усилие для поджима в сеансе зондирования при возможных небольших просадках поверхности скважины под клиньями. Такое условие удается выполнить при определенном соотношении длины l и поперечного сечения лепестков 12 цанги, выражаемому критерием продольной устойчивости по Эйлеру. Продольное усилие затяжки клина
P_п= 4π²EJ/l², ,
где
E - модуль упругости материала.

Для лепестков прямоугольного сечения толщиной d и шириной b момент инерции J = b•d³/12.

По окончании операции прижима муфта 3 расцепляется и двигатель, плавно увеличивая частоту, вращает только дебалансный вибратор 2. Достигнув максимальной частоты зондирования, управляемый через кабель 14 двигатель останавливают и реверсируют на малую частоту. Муфта 3 при этом вновь включается и через редуктор и ходовой винт шток 7 вытягивает за лепестки вниз зажимные клинья 13. Снаряд освобождается и подъемником перемещается на иную глубину, где операции: "прижим - зондирование - отжим" повторяются.

Ограниченный диаметр скважины диктует необходимость компактного размещения вибрационного оборудования в снаряде. Объем и радиальный размер возбудителя колебаний возможно уменьшить, если хотя бы часть объема дебаланса, выполнить из более тяжелого, чем сталь материала. Преимущество имеет, например ртуть, плотность которой почти вдвое выше стали. Поэтому, с целью ограничения габаритов корпуса, дебаланс вибратора выполнен в виде сектора цилиндра с полостью, заполненной тяжелой жидкостью (ртутью). Дозированной заправкой возможно создать требуемый уровень вибрационной силы. Полость дебаланса герметично закрывается, корпус снаряда также герметизирован. Все это исключает риск попадания токсичной ртути в окружающую среду.

Возможны и другие варианты реализации скважинного вибратора, которые не выходят за рамки изобретения.

Использование: для геофизических исследований. Сущность изобретения: в вибраторе, содержащем корпус, дебалансный вибровозбудитель, цанговый прижим и привод с ходовым винтом, сопряжение с винтом выполнено посредством штока, герметизированного кольцевыми уплотнениями по цилиндрической поверхности контакта с корпусом, с внутренним отверстием и резьбой, сочлененной с ходовым винтом. На середине штока выполнены опоры, выходящие через продольные пазы корпуса, и на опорах укреплены лепестки цанги, соединенные с зажимными клиньями. Для нормирования прижимного усилия соотношение длины и поперечного сечения лепестков цанги выбирается по критерию продольной устойчивости. Дебаланс вибратора выполнен в виде сектора цилиндра с полостью, заполненной тяжелой жидкостью, например ртутью. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Скважинный сейсмический вибратор, содержащий корпус, дебалансный вибродвигатель, цанговый прижим и привод с ходовым винтом, отличающийся тем, что сопряжение цангового прижима с ходовым винтом выполнено посредством штока, герметизированного кольцевыми уплотнениями по цилиндрической поверхности контакта с корпусом, с внутренним отверстием и резьбой, сочлененной с ходовым винтом, при этом на середине штока выполнены опоры, выходящие через продольные пазы корпуса, и на опорах укреплены лепестки цанги, соединенные с зажимными клиньями. 2. Вибратор по п.1, отличающийся тем, что соотношение длины и поперечного сечения лепестков цанги выбирается по уровню продольной устойчивости. 3. Вибратор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что дебаланс вибратора выполнен в виде сектора цилиндра с полостью, заполненной тяжелой жидкостью, например ртутью.