УСТРОЙСТВО ДЛЯ СПУСКА КАБЕЛЯ В СКВАЖИНУ Российский патент 1999 года по МПК E21B19/00 E21B33/03 E21B47/00 

Изобретение относится к области геофизических и гидродинамических исследований и может быть использовано в нефтяной промышленности, преимущественно при исследовании фонтанирующих скважин с высоким устьевым давлением посредством приборов, подвешиваемых на гибком длинномерном элементе (кабеле, проволоке и т.д.).

На фонтанирующих скважинах, имеющих большое давление в устье, приходиться столь сильно зажимать сальниковое уплотнение гибкого длинномерного элемента в узле герметизации лубрикатора, что для осуществления продвижения (проталкивания) этого элемента через сальниковое уплотнение в процессе спуска прибора в скважину, его веса вместе с усилием оператора оказывается недостаточно. Для осуществления спуска кабеля в таких случаях используют различные устройства.

Известно устройство для спуска кабеля с подвешенным на нем прибором в фонтанирующую скважину (см., например, а.с. СССР N 562643 кл. E 21 B 47/00), содержащее сальниковое уплотнение в корпусе лубрикатора, привод в виде рукоятки с выходной приводной частью для гибкого длинномерного элемента (кабеля), расположенной между лубрикатором и устьем скважины, состоящей из герметичного корпуса с центральным сквозным отверстием для прохода кабеля, расположенной в нем системы роликов-шестерен. В этом устройстве в процессе спуска кабель зажимается между двумя роликами и затем вращением рукоятки затягивается в скважину. Автоматическое прижатие роликов к кабелю осуществляется за счет подачи под давлением масла в подплунжерную полость устройства. Давление масла обеспечивается в свою очередь за счет использования давления рабочей среды, подводимой из устья скважины. Когда вес кабеля вместе с прибором становится достаточным для того, чтобы под действием силы тяжести он сам спускался в скважину, автоматическое прижатие роликов к кабелю отключают.

Основными недостатками этого устройства являются следующие:
- низкая надежность этого устройства в случае его применения в скважинах с высоким устьевым давлением (свыше 70 кг/см²). Это связано с тем, что при таких давлениях сопротивление сальникового уплотнения перемещению кабеля, как уже указывалось, так же велико. Для преодоления этого сопротивления приходится создавать в работе очень большие усилия прижатия роликов к кабелю, что приводит из-за малой площади их соприкосновения к возникновению значительных контактных напряжений, а значит увеличивается опасность возникновения недопустимых деформаций кабеля и его быстрое разрушение;
- высокая трудоемкость, а значит и стоимость геофизических исследований, так как привод системы роликов - шестерен осуществляется через рукоятку вручную.

Известно другое аналогичное устройство, которое обладает более высокой надежностью (см., например, а.с. СССР N 876975 кл. E 21 B 47/00). Повышение надежности в этом известном устройстве достигается за счет его снабжения полугайками с наружной резьбой, которые установлены в проточках шестерен и служат вместо роликов элементами проталкивания соприкасаемого кабеля. Это устройство способно работать при более высоком устьевом давлении, так как у полугаек по сравнению с роликами больше площадь соприкосновения с кабелем и больше коэффициент трения из-за наличия наружной резьбы. Однако применение такого устройства при более высоких давлениях (100 кг/см² и более) затруднено, так как недопустимо возрастает удельное давление вершин витков резьбы твердых полугаек на оплетку кабеля из-за необходимости в работе создавать очень высокие усилия прижатия их друг к другу. Это в свою очередь приводит к повреждению кабеля, а значит к снижению надежности его работы. Интенсивность повреждения усиливается при увеличении отклонений размеров резьб полугаек и оплетки от номинальных, так как при этом уменьшается площадь соприкосновения полугаек и кабеля, а значит так же снижается надежность. Кроме того, процесс исследования скважин с применением такого устройства довольно трудоемок, так как в нем отсутствует механический привод.

Известно устройство для спуска приборов в скважину с высоким устьевым давлением (см. , например, а.с. СССР N 1126688 кл. E 21 B 47/00), которое способно работать, как указано в описании изобретения, при устьевом давлении 50 МПа (500 кг/см²). В этом известном устройстве спуск прибора в скважину осуществляется за счет действия на кабель сил тяжести от дополнительно подвешенных на кабель утяжелителей, а ввод их в лубрикатор производится специальным механизмом, включающим лебедку, захват, ролики, удлинители и т.д.

Основные недостатки этого устройства следующие:
- недостаточная надежность устройства, так как подвеска утяжелителей на кабель при заданной глубине спуска прибора существенно увеличивает напряжения растяжения в кабеле, причем, чем выше устьевое давление в скважине, тем больше необходимый для спуска вес груза и тем на большую величину возрастают напряжения в кабеле. Использование утяжелителей снижают запас прочности кабеля, повышается опасность его разрушения;
- высокая стоимость исследовательских работ из-за повышенной их трудоемкости, связанной с необходимостью ручного монтажа и демонтажа большого количества тяжелых деталей (утяжелителей, захватов, роликов, удлинителей и т. д. ), тяжелого устройства в сборе на устье скважины, а также из-за использования механизма перемещения утяжелителей, прибора в лубрикаторе с ручным приводом.

Известно также устройство для спуска прибора в скважину с высоким устьевым давлением, имеющее утяжелитель (см. а.с. СССР N 761700 кл. E 21 B 47/00), у которого отсутствует большинство выше перечисленных недостатков, но оно применимо только в том случае, если имеется местное сужение в стволе скважины, в частности клапан-отсекатель. Причем этот клапан должен находиться для получения максимальной надежности на той глубине, на которой сил тяжести от кабеля и подвешенного на нем прибора становится уже достаточным для преодоления сил, действующих на кабель в сальниковом уплотнении лубрикатора.

Известно устройство для спуска приборов в скважину с высоким устьевым давлением, содержащее фонтанную арматуру, лубрикатор с сальниковым уплотнением, гибкий длинномерный элемент, механизм его спуска в скважину, который выполнен в виде системы роликов, соединенных замкнутой лентой, распрямляющейся и сворачивающейся в трубку в месте прохода ее через сальниковое уплотнение лубрикатора, соприкасаемой в этом месте с уплотнением и кабелем и служащей для кабеля проталкивающим элементом механизма спуска (см. а.с. СССР N 1059155 кл. E 21 B 47/00). Применение этого известного устройства существенно снижает стоимость исследовательских работ благодаря наличию гидравлического или электрического двигателя для привода механизма спуска кабеля. Однако оно не может применяться при высоком устьевом давлении скважины, так как невозможно создать прочную ленту, способную выдержать большое тяговое усилие для проталкивания кабеля через сальниковое уплотнение лубрикатора и одновременно очень эластичную, способную сворачиваться в трубку без зазора по торцам этой трубки. Наличие такого зазора значительно снижает уровень давления в устье скважины, до которого можно использовать это известное устройство.

Известно устройство для спуска кабеля в скважину (см. описание изобретения к патенту РФ N 2002031 кл. E 21 B 33/03), в котором тяговый элемент кабеля выполнен в виде металлических конических муфт и резиновых цанг, расположенных в центральном отверстии патрубка, соединенного соосно с дифференциальным рабочим поршнем. Зажатие кабеля и его перемещения в скважину в этом известном устройстве производится за счет периодического подвода воздуха с высоким давлением в рабочую полость дифференциального поршня и последующего быстрого стравливания его в окружающую среду. В результате этого происходит возвратно-поступательное движение дифференциального поршня и перемещения кабеля в скважину на величину хода поршня при каждом его цикле. Это устройство более надежно в работе, так как уменьшена интенсивность износа кабеля благодаря применению цанг из резины, более низкая трудоемкость геофизических исследований получена благодаря использованию сжатого воздуха для привода дифференциального поршня вместо ручного привода. Однако применение этого устройства для исследования скважин с повышенным давлением в устье также затруднено, а иногда даже невозможно. Это связано с тем, что в данном устройстве не может быть получено удельного давления резиновой цанги на наружную поверхность кабеля больше, чем удельное давление жидкости в устье скважины на торец муфты. Вследствие этого даже при значительном увеличении количества цанг и муфт в известном устройстве практически невозможно получить достаточную силу трения пакета цанг и муфт, чтобы преодолеть силу, равную сумме сил выталкивания кабеля и трения в сальнике лубрикатора. Кроме того, по той же причине будут очень большие утечки рабочей среды скважины в полость с атмосферным давлением, расположенную между дифференциальным поршнем и нижним уплотнением, которые необходимо стравливать наружу. Причем в этом случае сильно усложняется система привода устройства, так как необходимо иметь при проведении исследований очень большой запас сжатого воздуха с высоким давлением, например, в баллонах, что удорожает стоимость работ.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для спуска кабеля в скважину по а.с. СССР N 899878 кл. E 21 B 47/00. Это известное устройство содержит длинный длинномерный элемент (кабель), лубрикатор с уплотнением для этого элемента, привод с выходной приводной частью, расположенной между лубрикатором и устьем скважины, включающей герметичной цилиндрический корпус, в котором размещена разрезная конусная тяговая втулка, предназначенная для захвата и перемещения кабеля вниз в скважину, охватывающая этот кабель, по обе стороны от которой находится по поршню, снабженному центральным сквозным отверстием для прохода кабеля в скважину. Перемещение кабеля в этом известном устройстве осуществляется за счет давления эксцентрика вниз на верхний поршень при вращении рукоятки привода, при котором в начальный момент сначала заклинивается кабель посредством разрезной конусной втулки, после чего верхний поршень вместе с этой тяговой втулкой и зажатым в ней кабелем тянет его в скважину, преодолевая суммарную силу, включающую силу выталкивания вверх кабеля, силу трения в сальниковом уплотнении лубрикатора, силу трения верхнего поршня и стенки герметичного цилиндрического корпуса, силу сжатия возвратной пружины, силу сопротивления жидкости скважины от ее перетекания из полости, где расположена возвратная пружина, в полость расположения эксцентрика, силу, необходимую для расклинивания разрезной конусной втулки, расположенной в нижнем поршне. Возвращение верхнего поршня в исходное верхнее положение происходит под действием возвратной пружины, при котором заклинивается нижняя разрезная конусная втулка, расположенная в нижнем неподвижном поршне, и расклинивается верхняя конусная втулка, которая, проскальзывая по кабелю, занимает верхнее исходное положение.

Это устройство обеспечивает исследование скважин при более высоком давлении в их устье благодаря возможности обеспечения в этой конструкции большей площади контакта по поверхности соприкосновения кабеля с тяговой разрезной конусной втулкой в момент ее окончательного заклинивания при работе устройства. Однако существенное увеличение этой площади контакта может быть достигнуто без повреждения кабеля только в случае полного соответствия размеров по профилю и шагу резьбовой поверхности тяговой разрезной конусной втулки и сопрягаемой многозаходной резьбовой поверхности кабеля, образуемой его оплеткой. Причем это увеличение может быть получено только в момент максимального допустимого обжатия кабеля упомянутой втулкой.

Основным недостатком этого известного устройства является интенсивный износ кабеля в работе. Это связано, во первых, с тем, что современная технология не позволяет изготовить кабель с такими точными размерами по его диаметру, постоянству их по длине кабеля, шагу резьбовых канавок оплетки и т.д., чтобы получить при работе устройства необходимую площадь контакта даже при использовании в оплетке калиброванной проволоки. Во вторых, точность размеров кабеля значительно изменяется в процессе эксплуатации устройства в результате действующих на него нагрузок и постепенной вытяжки. В связи с этим, в таких случаях соприкосновение половинок тяговой разрезной конусной втулки с кабелем под действием пружин предварительного поджатия происходит только по отдельным участкам вершин витков резьбы этих половинок с небольшим перекрытием в радиальном направлении относительно витков оплетки. Поэтому, в начальный момент обжатия для среза перекрываемых в радиальном направлении отдельных участков резьбы может быть вполне достаточным действие небольших возникающих в этот момент осевых сил. Поэтому, процесс износа кабеля при движении разрезной тяговой конусной втулки вверх, сопровождаемый смятием и срезом материала по этим отдельным участкам, происходит наиболее интенсивно. В частности, даже в идеальном случае, когда размеры кабеля по оплетке номинальные, срез витков оплетки будет происходить из-за изготовления разрезной тяговой конусной втулки из двух половинок, так как при их встречном движении при обжатии кабеля, направленном к его оси, в контакт с витками оплетки в начале обжатия будут входить только те небольшие участки вершин резьбового профиля тяговой разрезной конусной втулки, которые расположены вблизи плоскости ее разъема.

Описанные выше факторы существенно снижают надежность и долговечность работы устройства.

Следует заметить, что снижение надежности работы известного устройства при его применении в скважинах с очень высоким устьевым давлением может происходить и из-за действия других факторов, в частности в случае сильного загрязнения жидкости, находящейся в скважине, например, илом, глиной и т.д. Это происходит потому, что уже в начале спуска резьба тяговой разрезной конусной втулки и неровности на наружной поверхности оплетки в таком случае заполняются твердой массой. При этом соприкасаемые поверхности становятся гладкими, что снижает коэффициент трения между ними, а значит снижается уровень давления скважины, до которого можно использовать это известное устройство. Снижение надежности, в частности, происходит и при загрязнении резьбы хотя бы одной из втулок, например нижней, так как при этом движении верхнего поршня вверх не происходит ее полного заклинивания, а выталкивание тяговой разрезной конусной втулки начинает происходить только за счет сил сжатия довольно длинного участка кабеля, расположенного между верхним поршнем и сальниковым уплотнением лубрикатора. При таком сжатии этого участка кабеля происходит его недопустимый изгиб, что может привести к разрушению оплетки и снижению надежности устройства.

Кроме того, процесс исследования скважин с применением такого известного устройства довольно трудоемок из-за отсутствия механического привода эксцентрика. Применение в этом случае известных двигателей для этого, например, электродвигателя с редуктором значительно усложняет конструкцию устройства.

Задачей изобретения является повышение надежности и долговечности работы устройства, а также снижение трудоемкости процесса геофизических исследований в скважинах с высоким устьевым давлением.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом устройстве для спуска кабеля в скважину, оборудованную фонтанной арматурой, содержащем длинный длинномерный элемент (кабель) для подвески приборов, лубрикатор с сальниковым уплотнением для кабеля особым образом выполнен привод с выходной приводной частью, а именно: он выполнен гидравлическим в форме объемного гидропривода, включающего гидравлический источник энергии, распределительное и запорно-дроссельное устройства и выходную приводную часть (гидродвигатель). Причем гидравлический источник энергии выполнен в виде двух дифференциальных гидроцилиндров с неодинаковым по величине отношением площадей большей по размеру ступени его ступенчатого поршня к меньшей, а в выходной приводной части, которая, как и в прототипе, расположена между лубрикатором и устьем скважины, и включает герметичный цилиндрический корпус с размещенной в нем разрезной тяговой втулкой, предназначенной для захвата и перемещения кабеля вниз в скважину и охватывающей этот кабель, имеющий по обе стороны от себя по поршню, снабженному сквозным центральным отверстием для прохода кабеля, и в которой особым образом выполнены и размещены упомянутые поршни и тяговая разрезная втулка, а именно: оба поршня гидродвигателя дополнительно снабжены полыми штоками, направленными в противоположенные стороны, уплотненными вместе с поршнями в герметичном цилиндрическом корпусе с образованием в нем рабочих полостей и установленными в этом герметичном цилиндрическом корпусе с возможностью взаимодействия с упомянутой тяговой разрезной втулкой, выполненной из мягкого упругого материала, например резины, и с возможностью возвратно-поступательного движения. Кроме того, рабочая полость первого из дифференциальных гидроцилиндров, имеющего меньшее по величине отношение размеров площадей ступеней его ступенчатого поршня, расположенная со стороны большей по величине ступени его поршня, соединена каналом с полостью высокого давления устья скважины, аналогичная же рабочая полость второго из дифференциальных гидроцилиндров через распределительное устройство - с той же полостью высокого давления устья скважины и со сливом в окружающую среду, рабочая же полость, расположенная со стороны меньшей по площади ступени его поршня упомянутого первого дифференциального гидроцилиндра, соединена каналом с рабочей полостью гидроцилиндра, расположенной со стороны места подстыковки устройства к устью скважины, а аналогичная рабочая полость второго дифференциального гидроцилиндра - с рабочей полостью гидродвигателя, расположенной со стороны места подстыковки устройства к лубрикатору.

Кроме того, устройство снабжено запорно-дроссельным устройством, необходимым для обеспечения получения общего сопротивления гидросистемы второго дифференциального гидроцилиндра меньше, чем первого, а также для регулирования скорости спуска кабеля. Поэтому, это запорно-дроссельное устройство может быть установлено для получения упомянутого результата в любом из каналов, соединяющих гидродвигатель и дифференциальные гидроцилиндры, кроме канала слива из распределительного устройства, в зависимости от фактического сопротивления этих гидросистем.

Причем предлагаемое устройство в месте отбора рабочей жидкости к дифференциальным гидроцилиндрам снабжено фильтром, выполненным в виде кольцевой полости, образованной внутренней поверхностью герметичного цилиндрического корпуса гидродвигателя и наружной поверхностью штока его поршня и соединенной с полостью устья скважины неуплотняемой, заданного размера или регулируемой по размеру кольцевой щелью, образуемой этими корпусом и штоком.

Изложенная сущность поясняется чертежами:
на фиг. 1 - предлагаемое устройство с взаимным положением деталей после его монтажа на скважину перед началом работы;
на фиг. 2 - то же, в момент захвата кабеля тяговой разрезной втулкой;
на фиг. 3 - то же, в момент окончания первого цикла спуска кабеля в скважину;
на фиг. 4 - элемент I, отдельно изображенный фильтр, встроенный в гидродвигатель.

Предлагаемое устройство (см. фиг. 1) состоит из лубрикатора, содержащего корпус 1, в котором расположены две упорные разрезные втулки 2, сальниковое уплотнение 3, которое поджато зажимной гайкой 4. Через центральное отверстие лубрикатора проходит кабель 5. Привод с выходной частью выполнен в форме объемного гидропривода, включающего гидравлический источник энергии, распределительное и запорно-дроссельное устройства и выходную приводную часть (гидродвигатель), которые расположены между устьем скважины 6 и лубрикатором.

Гидродвигатель состоит из герметичного цилиндрического корпуса 7, имеющего для обеспечения сборки диаметральный фланцевый разъем 8 (уплотнение в разъеме условно не показано), в котором размещена тяговая разрезная втулка 9, предназначенная для захвата и перемещения кабеля 5 вниз в скважину, охватывающая этот кабель 5. По обе стороны от этой тяговой разрезной втулки 9 находится по поршню 10 и 11, снабженному соответственно центральными сквозными отверстиями 12 и 13 для прохода кабеля 5. Поршни 10 и 11 снабжены соответственно штоками 14 и 15, направленными в противоположенные стороны, уплотненными вместе с поршнями 10 и 11 посредством уплотнительных колец 16, 17, 18, 19 в герметичном цилиндрическом корпусе 7 с образованием в нем рабочих полостей 20 и 21. Кроме того, поршни 10 и 11 установлены в этом корпусе 7 с возможностью взаимодействия с упомянутой тяговой разрезной втулкой 9, выполненной из мягкого упругого материала, например резины, и возможностью возвратно-поступательного движения. При этом взаимодействие поршней с этой тяговой разрезной втулкой 9 осуществляется через промежуточные упорные разрезные втулки 22 и 23. Эти упорные разрезные втулки 22 и 23, как и упорные разрезные втулки 2 в лубрикаторе, выполненные с разъемом в плоскости оси кабеля 5, что позволяет производить спуск в скважину и подъем из скважины кабель вместе с прикрепленным прибором (на чертеже не показан) после демонтажа лубрикатора, верхней части корпуса 7, поршня 11, упорных разрезных втулок, но без демонтажа нижней части корпуса 7. Упорная разрезная втулка 23 для предотвращения ее выпадания из поршня 11 закреплена в нем посредством стопорного кольца 24.

Гидравлический источник энергии выполнен в виде двух дифференциальных гидроцилиндров, состоящих соответственно из ступенчатых цилиндрических корпусов 25 и 26, выполненных для обеспечения сборки устройства из двух частей и соединенных соответственно резьбами 27 и 28. В этих корпусах размещено соответственно по ступенчатому поршню 29 и 30, причем отношение площадей ступеней этих ступенчатых поршней выполнено неодинаковым. Так у ступенчатого поршня 29, расположенного в корпусе 25, отношение размера d большей ступени к размеру d₁ меньшей ступени выполнено меньше, чем отношение аналогичных размеров d₂ к d₃ другого ступенчатого поршня 30, расположенного в корпусе 26. Это может быть достигнуто, например, путем выполнения d равным d₂ и d₁ больше чем d₃. Ступенчатые поршни уплотнены в этих корпусах посредством уплотнительных колец 31, 32, 33, 34 и установлены в них с возможностью возвратно-поступательного движения и с образованием рабочих полостей 35, 36, 37, 38. Полости 39 и 40 ступенчатых корпусов, которые при любом осевом положении ступенчатого поршня относительно своего корпуса находятся между ступенями поршня, соединены через отверстия 41 и 42 с атмосферой. Рабочая полость 35 первого из дифференциальных гидроцилиндров с размерами ступеней d и d₁, имеющего меньшее по величине отношение площадей этих ступеней, расположенных со стороны большей по величине ступени с размером d, соединена каналом (трубопроводом) 43 через запорно-дроссельное устройство 44 и фильтр (см. фиг. 4) с полостью высокого давления 45 устья скважины 6.

Этот фильтр представляет собой кольцевую полость 46, образованную внутренней поверхностью 47 нижней части герметичного цилиндрического корпуса 7 гидродвигателя и наружной поверхностью 48 штока 14 его поршня 10, соединенной с полостью 45 устья скважины 6 неуплотняемой щелью 49 заданного размера l, образуемой между этим корпусом 7 и штоком 14. Размер щели l подбирается экспериментально минимально возможным из условия обеспечения необходимого расхода среды скважины для работы устройства и одновременно для предотвращения ее засорения в работе. Кроме того, возможен вариант исполнения этой щели регулируемой, например, путем применения вворачиваемых по резьбе в корпус 7 сменных насадков с различными размерами их внутреннего диаметра по месту образования щели.

Другая аналогичная полость 37 второго дифференциального гидроцилиндра соединена каналом (трубопроводом) 50 через распределительное устройство 51 и упомянутый фильтр также с полостью высокого давления 45 устья скважины 6, а также со сливом в окружающую среду посредством трубопровода 52, например, в емкость 53. Рабочая полость 36, расположенная со стороны меньшей по размеру ступени ступенчатого поршня первого дифференциального гидроцилиндра, соединена каналом (трубопроводом) 54 с рабочей полостью 20 гидродвигателя, расположенной со стороны места подстыковки его к устью 6 скважины. Другая аналогичная рабочая полость 38 второго дифференциального гидроцилиндра соединена каналом (трубопроводом) 55 с рабочей полостью 21 гидродвигателя, расположенной со стороны места его подстыковки к лубрикатору.

Конструкция распределительного устройства и запорно-дроссельного устройства может быть любой, способной работать при высоких давлениях жидкости (см. , например, книгу Т.М.Башта и др. "Гидравлика, гидромашины и гидроприводы", М., Машиностроение, 1982, стр. 365, рис. 3.72. Крановый торцовый гидростатически уравновешенный распределитель).

Сборка предлагаемого устройства осуществляется в следующем порядке. Вначале на конец трубы устья скважины 6 навинчивается нижняя часть герметичного цилиндрического корпуса 7 по резьбе 56 (см. фиг. 4), в которой предварительно смонтирован поршень 10. Затем надевают на кабель 5 с прикрепленным на нем прибором (на чертеже не показан) корпус 1 лубрикатора, верхнюю часть корпуса 7 и поршень 11. Затем опускают прибор на кабеле ниже резьбы 56 в устье скважины до превентора или вентиля арматуры (на чертеже не показаны). После этого монтируют нижнюю упорную разрезную втулку 22, затем тяговую разрезную втулку 9, затем верхний поршень 11, предварительно закрепив в ней верхнюю упорную разрезную втулку 23 посредством разрезного кольца 24. После чего на шток 15 поршня 11 устанавливают и закрепляют верхнюю часть корпуса 7. Монтаж лубрикатора начинается с установки его корпуса 1 на верхнюю часть корпуса 7, затем устанавливается нижняя упорная разрезная втулка 2, сальниковое уплотнение 3, верхняя упорная разрезная втулка 2 и зажимают гайкой 4, которую затягивают моментом, создающим удельное давление сальникового уплотнения на кабель, минимальное необходимое для получения герметичности и удержание кабеля от выталкивающей силы.

Монтаж и сборка дифференциальных гидроцилиндров, запорно-дроссельного и распределительного устройств, трубопроводов или заменяющих их шлангов понятно из чертежа и не требует пояснений.

Перед началом работы гидросистема, состоящая из полостей 20 и 21 гидродвигателя и полостей 36 и 38 дифференциальных гидроцилиндров, трубопроводов 54, 55, заполняется рабочей жидкостью, предпочтительно маслом. Гидросистемы полостей 35, 37 дифференциальных гидроцилиндров и трубопроводов 43 и 50 - рабочей средой скважины (водой) с удалением (стравливанием) имеющегося в гидросистемах воздуха через дренажные штуцеры (на чертежах условно не показаны) известным способом. Исходное состояние запорно-дроссельного и распределительного устройств закрыто (ручка распределительного устройства 57 горизонтальна).

Устройство работает следующим образом. После проведения с устройством описанных выше сборочно-монтажных работ приоткрывают превентор или вентиль арматуры, которыми оборудована скважина (на чертежах не показаны), после чего рабочая среда скважины, находящаяся под высоким давлением, постепенно заполняет все выше расположенные, соединенные с ней внутренние полости (гидродвигателя, лубрикатора и т.д.), находящиеся до сальникового уплотнения 3 лубрикатора. Стравливание из этих полостей воздуха может быть произведено, например, через сальниковое уплотнение лубрикатора за счет ослабления затяжки зажимной гайки 4. Затем ручку 57 распределительного устройства (см. фиг. 2) плавно переводят в положение, например, вниз, при котором полость 37 соединяется со сливом в окружающую среду, то есть в емкость 53 через трубопровод 52. В результате верхний поршень 11 гидродвигателя начинает перемещаться вверх вместе с закрепленной в нем упорной разрезной втулкой 23 под действием перепада давления, равного разности давлений в скважине и окружающей среды. При этом масло из полости 21 гидродвигателя вытесняется в полость 38 второго дифференциального гидроцилиндра через трубопровод 55 и его ступенчатый поршень 30 в свою очередь идет вниз, вытесняя имеющуюся в полости 37 рабочую среду скважины через открытый канал распределительного устройства 51 и трубопровод 52 на слив в емкость 53. Для того, чтобы поршень 11 занял крайнее верхнее положение производят слив лишнего масла, залитого при монтаже устройства, через дренажный штуцер (на чертеже не показан). Этот слив производят при некотором приподнятом положении поршня 30 на размер l₁. Это можно сделать, например, путем установки временного упора в поршень второго дифференциального гидроцилиндра, который выполнен в дне его корпуса 26. Благодаря этому гарантируется перемещение поршня 11 вверх до упора при последующих циклах его движения. Затем приоткрывают запорно-дроссельное устройство 44, после чего рабочая среда из скважины с высоким давлением поступает в полость 35, вследствие чего ступенчатый поршень 29 первого дифференциального гидроцилиндра перемещается вверх, масло из полости 36 с более высоким давлением, чем давление в скважине, увеличенным пропорционально отношению площадей ступеней этого ступенчатого поршня, поступает в полость 20 гидродвигателя через трубопровод 54. В результате этого нижний поршень 10 вместе с незажатой и расположенной в нем тяговой разрезной втулкой 9, упорной разрезной втулкой 22 перемещаются под действием перепада давления, равного разности давлений в полостях 20 и 45, вверх до упора тяговой разрезной втулки 9 в верхнюю упорную разрезную втулку 23. Нижний поршень 10 сжимает тяговую разрезную втулку 9 с силой, равной произведению указанного перепада на рабочую площадь нижнего поршня 10. Для устранения противодействия движению нижнего поршня 10 вверх рабочей среды скважины, находящейся в полости 58 между поршнями 10 и 11 в момент окончательного обжатия тяговой разрезной втулки 9, полость 58 соединена каналом 59 и через внутреннее отверстие 12 штока 14 с полостью устья скважины. Для устранения противодействия движению верхнего поршня вверх той же среды скважины, находящейся в другой полости 13 (отверстии штока) гидродвигателя, верхний поршень снабжается аналогичным перепускным каналом 60.

Для осуществления перемещения кабеля вниз в скважину поворачивают ручку 57 распределительного устройства 51, например, вверх (см. фиг. 3), при котором происходит соединение полости 45 устья скважины с рабочей полостью 37 второго дифференциального гидроцилиндра. При этом ступенчатый поршень 30 под действием поступающей из скважины рабочей среды через трубопровод 50 перемещается вверх, вследствие чего масло с повышенным давлением, пропорционально отношению площадей ступеней этого ступенчатого поршня, большим по величине, чем в первом дифференциальном поршне, вытесняется из полости 38 в полость 21, перемещает верхний поршень вместе с зажатой тяговой разрезной втулкой с кабелем вниз в скважину на величину хода поршней H (см. фиг. 1 и 2), преодолевая сопротивление нижнего поршня 10, давление под которым меньше, чем давлением над верхним поршнем 11. В результате этого движения ступенчатый поршень 29 первого дифференциального гидроцилиндра идет вниз, вытесняя через запорно-дроссельное устройство 44 рабочую среду обратно в скважину. При этом желательно для гарантирования хода поршня 10 до крайнего нижнего положения при следующих циклах слить лишнее масло через дренажный штуцер (на чертеже не показан) из полости 36 при немного приподнятом положении поршня 29 на величину l₂, так же как это было осуществлено с поршнем 30.

Для осуществления следующего цикла спуска кабеля на величину H поворачивают ручку 57 распределительного устройства 51 опять в нижнее положение, при котором верхний поршень 11 начнет быстро перемещаться вверх, поршень 10 из-за наличия сопротивления в дроссельном устройстве 44 будет отставать в перемещении, вследствие этого устранится осевое зажатие тяговой разрезной втулки 9 и она свободно переместится вверх, скользя по кабелю 5 и в конце движения после упора в верхний поршень 11 вновь зажмется заданной осевой силой. Таким образом, совершая колебательные движения ручки 57, производится спуск кабеля, опуская его с каждым циклом на величину H. При каждом цикле из полости 37 второго дифференциального гидроцилиндра выливается в емкость 53 рабочая среда скважины в объеме, равном произведению величин рабочей площади 11, его хода H и отношения площадей ступеней ступенчатого поршня 30 второго дифференциального гидроцилиндра. Чем больше отношение этих площадей, тем больше давление в полости 21 при данном давлении в устье скважины и тем меньших диаметральных размеров, а значит и легче по весу можно выполнить гидродвигатель. Однако уровень максимального давления ограничивается работоспособностью применяемых уплотнительных колец поршней. Если возникает необходимость остановить кабель и прекратить спуск, то ручку 57 распределительного устройства ставят в горизонтальное положение, когда полость 37 отсоединена как от слива в окружающую среду, так и от полости устья скважины.

Наружный диаметр d₄ штоков (см. фиг. 4) выполнен исходя из условия прохода через их внутренние отверстия используемых при исследовании скважины приборов и обеспечения прочности этих штоков. Наружный диаметр d₅ (см. фиг. 2) поршней 10 и 11 выполнен из условия получения такой площади, которая бы обеспечила такую силу сжатия тяговой разрезной втулки 9, чтобы сила трения по поверхности ее соприкосновения с кабелем несколько превышала силу, состоящую из силы выталкивания кабеля из скважины и силы трения кабеля в сальниковом уплотнении 3 лубрикатора.

В случае применения предлагаемого устройства в устье скважин с очень высокими давлениями возможен вариант его исполнения с несколькими последовательно установленными тяговыми разрезными резиновыми втулками. Для упрощения расчета, доводки и эксплуатации предлагаемого устройства целесообразно конструкцию тяговых разрезных втулок и сальникового уплотнения делать одинаковой. Кроме того, возможен вариант изготовления устройства, когда для гидродвигателей и двух дифференциальных гидроцилиндров выполнен один общий корпус и часть соединяемых каналов в этом случае находится непосредственно в этом корпусе. Однако это целесообразно только при изготовлении корпуса из прочного и одновременно легкого материала, например титана, так как монтаж на скважину тяжелого устройства, как правило, производится вручную и он затруднен. Предлагаемое устройство рассчитывается и проектируется исходя из максимально возможного ожидаемого давления в устье скважины, при более низких давлениях оно также будет работоспособно, так как давления и силы во всех полостях устройства в работе будут уменьшаться пропорционально давлению в устье скважины.

Такое исполнение предлагаемого устройства позволяет получить следующие преимущества:
1. Повысить надежность работы устройства за счет уменьшения износа кабеля в работе. Это достигается благодаря изготовлению тяговой разрезной втулки предлагаемого устройства из мягкого упругого материала, вследствие чего существенно увеличивается площадь соприкосновения этой втулки с кабелем в момент его максимального обжатия, так как материал втулки входит в резьбовые канавки кабеля в радиальном направлении к его оси, заполняя их полностью и не повреждая проволоки оплетки кабеля. Кроме того, контакт этой тяговой разрезной втулки происходит по всей резьбовой поверхности кабеля независимо от точности изготовления резьбы кабеля, его диаметральных размеров, изменения их по длине в отличие от прототипа, где из-за малой площади контакта в начальный момент по отдельным участкам вершин резьбы и при одновременном действии осевой силы происходит их срез, смятие и быстрый износ кабеля. Причем в предлагаемом устройстве практически полностью предотвращен износ тяговой разрезной втулки в отличие от прототипа при ее движении вместе с нижним поршнем гидродвигателя вверх, так как, во-первых, коэффициент трения резины о кабель в присутствии воды очень мал и, во-вторых, в процессе движения этой втулки вверх практически нет никакого поджатия ее к кабелю (в прототипе это происходит за счет пружин предварительного поджатия), так как из-за наличия запорно-дроссельного устройства, верхний поршень гидродвигателя при движении опережает нижний. Кроме того, в предлагаемом устройстве значительно уменьшено снижение надежности работы в случае наличия в скважине сильно загрязненной жидкости, так как в нем имеется возможность при необходимости увеличить число тяговых втулок и тем самым получить любую необходимую площадь контакта тяговой разрезной втулки с кабелем. Также можно увеличить силу прижатия этой втулки к кабелю путем увеличения наружного диаметра поршней гидродвигателя и тем самым увеличить осевую силу сжатия даже при одной тяговой втулке, расположенной в замкнутом объеме, до любой необходимой величины. Указанные возможности позволяют получить более надежный захват кабеля при любой загрязненности рабочей среды скважины по сравнению с прототипом.

2. Снизить трудоемкость и стоимость геофизических работ за счет того, что в предлагаемом устройстве, во-первых, вместо ручного привода используется гидравлический источник энергии, позволяющий механизировать процесс спуска, и, во-вторых, этот источник, выполненный в виде двух дифференциальных гидроцилиндров, использует для своей работы практически бесплатную энергию рабочей среды скважины, находящейся под высоким давлением. Выполнение в этих гидроцилиндрах ступенчатых поршней с неодинаковым по величине отношением площадей большей по размеру ступени большей по размеру ступени поршня к меньшей и соединение полостей указанным образом позволяет зажимать и перемещать в гидродвигателе тяговую разрезную втулку вместе с кабелем, находящуюся в среде высокого давления в скважине. Действие оператора сводится к перемещению рукоятки, которая разгружена от гидравлических сил.

3. Упростить конструкцию устройства, так как фильтр встроен в гидродвигатель и представляет собой кольцевую полость, соединенную с полостью устья скважины кольцевой щелью заданного размера, позволяющей пропускать в дифференциальные гидроцилиндры посторонние частицы до определенного размера, благодаря чему предотвращается засорение каналов гидросистем.

Устройство для спуска кабеля в скважину применяется для проведения работ по исследованию нефтяных скважин с высоким устьевым давлением. Устройство выполнено в форме объемного гидропривода, включающего гидравлический источник энергии, распределительное и запорно-дроссельное устройства и выходную приводную часть (гидродвигатель). Гидравлический источник энергии выполнен в виде двух дифференциальных гидроцилиндров с неодинаковым по величине отношением площадей большей по размеру ступени ступенчатого поршня и меньшей. Оба поршня гидродвигателя, между которыми находится тяговая разрезная втулка для проталкивания кабеля через сальник лубрикатора, снабжены полыми штоками, направленными в противоположные стороны, уплотненными вместе с поршнями в герметичном цилиндрическом корпусе с образованием в нем рабочих полостей. Поршни взаимодействуют с тяговой разрезной втулкой, установленной в корпусе с возможностью совместного возвратно-поступательного движения. Рабочая полость первого из дифференциальных гидроцилиндров, имеющего меньшее по величине отношение площадей ступеней его ступенчатого поршня, расположенная со стороны большей по величине ступени его поршня, соединена каналом (трубопроводом) с полостью высокого давления в устье скважины. Аналогичная же рабочая полость второго из дифференциальных гидроцилиндров соединена каналом через распределительное устройство с той же полостью высокого давления устья скважины и со сливом в окружающую среду. Рабочая же полость, расположенная со стороны меньшей по площади ступени ступенчатого поршня упомянутого первого дифференциального гидроцилиндра, соединена каналом с рабочей полостью гидродвигателя, расположенной со стороны места подстыковки устройства к устью скважины. Аналогичная рабочая полость второго дифференциального гидроцилиндра соединена каналом с рабочей полостью гидродвигателя, расположенной со стороны места подстыковки устройства к лубрикатору. За счет подачи большего по величине давления масла, чем давление рабочей среды (воды) в устье скважины, в рабочие подпоршневые полости гидродвигателя обеспечивается любое необходимое осевое сжатие тяговой разрезной резиновой втулки, расположенной между этими поршнями в замкнутом объеме, т.е. надежное сцепление этой мягкой втулки с кабелем. При этом благодаря подаче разного по величине давления этого масла, поступающего из двух разных дифференциальных гидроцилиндров, обеспечивается в работе шаговое перемещение кабеля за счет совместного циклического движения обоих поршней гидродвигателя вместе с зажатой между ними тяговой разрезной втулкой вниз в скважину и последующего возвращения из скважины вверх уже с незажатой этой втулкой. Использование изобретения повышает надежность благодаря уменьшению износа кабеля и снижает трудоемкость геофизических работ благодаря механизированному приводу с использованием для него практически бесплатной энергии рабочей среды (воды), отбираемой из устья скважины. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для спуска кабеля в скважину, оборудованную фонтанной арматурой, содержащее длинный длинномерный элемент для подвески приборов, лубрикатор с сальниковым уплотнением для этого элемента, привод с выходной приводной частью, которая расположена между лубрикатором и устьем скважины, включающей герметичный цилиндрический корпус, в котором размещена тяговая разрезная втулка, предназначенная для захвата и перемещения кабеля вниз в скважину, охватывающая этот кабель, по обе стороны от которой находится по поршню, снабженному центральным сквозным отверстием для прохода кабеля, отличающееся тем, что привод с выходной приводной частью выполнен гидравлическим в форме объемного гидропривода, включающего гидравлический источник энергии, распределительное и запорно-дроссельное устройства и выходную приводную часть в виде гидродвигателя, причем гидравлический источник энергии выполнен в виде двух дифференциальных гидроцилиндров с неодинаковым по величине отношением площадей большей по размеру ступени ступенчатого поршня к меньшей, при этом оба поршня гидродвигателя снабжены полыми штоками, направленными в противоположные стороны, уплотненными вместе с поршнями в герметичном цилиндрическом корпусе с образованием в нем рабочих полостей, и установлены в нем с возможностью взаимодействия с упомянутой тяговой разрезной втулкой, выполненной из мягкого упругого материала, и с возможностью возвратно-поступательного движения, причем рабочая полость первого из дифференциальных гидроцилиндров, имеющего меньшее по величине отношение площадей ступеней его ступенчатого поршня, расположенная со стороны большей по величине ступени его поршня, соединена каналом с полостью высокого давления в устье скважины, аналогичная же рабочая полость второго из дифференциальных гидроцилиндров через распределительное устройство - с той же полостью высокого давления устья скважины и со сливом в окружающую среду, рабочая же полость, расположенная со стороны меньшей по площади ступени ступенчатого поршня упомянутого первого дифференциального гидроцилиндра, соединена каналом с рабочей полостью гидродвигателя, расположенной со стороны места подстыковки устройства к устью скважины, а аналогичная рабочая полость второго дифференциального гидроцилиндра - с рабочей полостью гидродвигателя, расположенной со стороны места подстыковки устройства к лубрикатору. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено фильтром, расположенным в месте отбора рабочей жидкости из устья скважины к дифференциальным гидроцилиндрам и выполненным в виде кольцевой полости, образованной внутренней поверхностью герметичного цилиндрического корпуса гидродвигателя и наружной поверхностью штока его поршня и соединенной с полостью устья скважины неуплотняемой заданного размера или регулируемой щелью, образуемой между этим корпусом и штоком.