СКВАЖИННЫЙ ИСТОЧНИК СЕЙСМИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2001 года по МПК G01V1/135 G01V1/52 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для возбуждения сейсмических волн из скважин.

Известны скважинные источники, например патенты США N 4751688, N 5321213, МКИ G 01 V 1/00, заявка Франции N 2671297 или а.с. России N 1160343, N 1728817, G 01 V, а также патент РФ N 2107930, БИ N 9 от 27.03.98, которые содержат подвешенный на каротажном кабеле снаряд с размещенными в нем устройством прижима к стенкам скважины и силовозбудитель электромагнитного или центробежного типа, который формирует ударный импульс или длительные колебания. В снарядах с электромагнитными силовозбудителями, патент США N 4751688 или а.с. N 1160343, колебания создаются благодаря движению массы якоря посредством электромагнитной силы, возбужденной электрическим током в катушках соленоидов. Наличие прижима обеспечивает надежную передачу силовых возмущений в окружающие горные породы и необходимую направленность сейсмических волн. Однако электромагнитные поля и давления, которые разгоняют якорь, ограничены насыщением магнитопроводов примерно на уровне p ≈ 0,5 МПа. Поэтому не удается получить большую мощность удара. В сейсмических источниках с центробежным (орбитальным) вибратором и электромотором возмущающее усилие ориентировано в горизонтальной плоскости, поперек оси скважины. Недостаток их в том, что из-за ограниченных радиальных размеров скважинного снаряда трудно разместить вертикально ориентированный силовозбудитель.

В глубоких скважинах, заполненных жидкостью под давлением, нередко используют имплозионные источники, содержащие пустую камеру, полость, которая при быстром открывании, схлопываясь, создает колебания волн давления в жидкости, распространяющиеся в виде гидроволн по стволу скважины и переходящие в окружающие породы как сейсмические волны, например, патент РФ N 2133326. Здесь затвор, выполненный в виде дифференциального поршня, стопорится шариковым фиксатором и срабатывает при подъеме давления в скважине, открывая входные окна в имплозионную полость. Обладая высокой импульсной мощностью, источник не может ориентировать ударное возмущение по вертикали (вдоль оси скважины). Длительный период зарядки, связанный с необходимостью подъема снаряда на лебедке к устью скважины, является также ограничением в производительности, скорострельности. Источники с пустой камерой одноразового действия применяют для чистки перфорированной части скважины с целью усиления притока флюидов из пласта. См., например, Попов А.С. Ударные воздействия на призабойную зону скважин. М. Недра, 1990.

Максимум интенсивности продольных волн давления от имплозионного источника направлен перпендикулярно оси скважины, что приемлемо, например, для просвечивания промежутков между скважинами. Однако, когда обследуется строение недр в окрестностях одиночной скважины (метод обращенного ВСП), то необходимо иметь источник, где ударное возмущение и, значит, максимум сейсмической освещенности направлен вдоль оси скважины. Для этого необходимо дополнять имплозионный снаряд устройством прижима к стенкам скважины и определенным образом преобразовать объемное давление в кинетическую энергию силового импульса, ориентируя его в требуемом направлении.

Известные скважинные сейсмические источники имеют небольшую мощность удара, поскольку она ограничена и габаритами снаряда в скважине, где трудно разместить энергоемкий силовозбудитель, и невысокой проходной мощностью каротажного кабеля, через который с поверхности подается электропитание. Поэтому предлагается использовать энергию высокого гидростатического давления, определенным образом сочетая элементы известного скважинного источника, патент РФ N 2107930, выбранного за прототип и имеющего приводной электродвигатель и управляемый клиновой прижим, а также дополнительные элементы силовозбудителя с имплозионной камерой.

3адачей изобретения является достижение большей мощности сейсмического импульса в направлении оси скважины.

Предлагается скважинный источник сейсмических импульсов, содержащий корпус, кабельный электроввод, управляемый клиновой прижим, приводной электродвигатель и силовозбудитель.

Положительный результат достигается тем, что силовозбудитель выполнен в виде камеры с окнами в корпусе, которые перерываются посредством кольцевого затвора, и снабжен поршнем возвратно-поступательного движения, причем привод перемещения поршня выполнен в виде ходового винта, подсоединенного через редуктор и управляемую муфту к валу электродвигателя, и окна в корпусе размещены в нижней части камеры, а затвор, поджатый пружиной, зафиксирован защелкой, сопряженной с якорем спускового электромагнита, и над поршнем со стороны, противоположной рабочей камере, размещена газовая полость.

Высокое гидростатическое давление, присутствующее в скважине на больших глубинах, выполняет роль разгонного механизма, а в качестве ударной массы используется скважинная жидкость.

На чертеже изображен общий вид скважинного снаряда с разрезом в области силовозбудителя.

Скважинный источник сейсмических импульсов содержит корпус 1, электроввод 2, сопрягаемый далее с каротажным кабелем. Цилиндрическая камера 3 имеет в корпусе окна 4, выходящие в скважину и герметично перекрываемые кольцевым затвором 5. Над поршнем со стороны, противоположной рабочей камере, размещена газовая (воздушная) полость 6. Фиксирующая затвор спусковая защелка 7 сопряжена с якорем 8 электромагнита 9, а затвор снизу поджат пружиной 10. Рабочая камера также имеет сообщение со скважиной через обратный клапан 11. В цилиндрическую камеру входит поршень 12 с винтопарой 13 на штоке, сопряженной через редуктор 14 и управляемую муфту 15 с валом электродвигателя 16. На другом конце вала электродвигателя установлена расцепляющая муфта 17 и далее редукционный узел 18 привода прижима. Прижимные клинья (шлипсы) 19, входя в зазор между стенками скважины и корпусом, способны жестко крепить, фиксировать снаряд и передавать большие вертикальные нагрузки.

В исходном состоянии, как изображено на фиг. 1, камера 3 свободна от скважинной жидкости, окна 4 герметично закрыты и корпус снаряда прижат к стенкам скважины. Далее через одну из жил каротажного кабеля подается электрическое напряжение на электромагнит 9. Якорь 8 электромагнита, срабатывая, выбивает спусковую защелку 7, удерживающую затвор 5. Отбрасываемый сжатой пружиной 10 затвор смещается вверх, открывая окна 4. Давление p_г в скважинной жидкости на глубине, например, 2-3 км велико, обычно более 20-30 МПа. Под таким напором массы жидкости устремляются в окна, разгоняются и, заполняя камеру 3, наносят удар по ее верхней, удаленной от окон части. Гидроудар сопровождается также подъемом давления. Если бы заливные окна помещались в середине камеры, то гидроудар был бы симметрирован и не создавал бы вертикального импульса силы на корпус снаряда. Благодаря использованию гидростатического давления ударный узел получается компактным и более мощным, чем, например, в электромагнитных механизмах, которые разгоняют боек довольно слабым магнитным полем: p_эм≈ B • A = 0,5 МПа. Таким образом, удар, ориентированный вдоль корпуса снаряда, передается через прижимные клинья 19 на стенки скважины, порождая в окружающих породах волновое сейсмическое возмущение.

Прижимные клинья 19 вытягиваются из зазора при включении электродвигателя 16 и расцепляющей муфты 17. После возбуждения удара прижим освобождается и снаряд посредством каротажного подъемника перемещают по стволу на следующий пикет. Далее с целью подготовки (зарядки) источника необходимо вытеснить из камеры 3 скважинную жидкость, герметично закрыть окна 4 затвором 5, фиксируя его защелкой 7, и переместить поршень в исходное верхнее положение. Поэтому включают двигатель 16 и муфту 15, при этом поршень 12 с винтопарой 13 на штоке перемещается вниз, вытесняя жидкость в скважину через открытые окна 4. Сверху поршень подпирает воздух под давлением, находящийся в изолированной полости 6. Это частично уравновешивает гидростатическое давление, действующее на поршень снизу. В результате усилие на перемещение поршня и максимальная мощность двигателя 16 могут быть снижены. В этой фазе буртик поршня двигает затвор 5, закрывающий окна. При перекрытии окон остаток жидкости выдавится через обратный клапан 11, затвор поджимает пружину 10 и фиксируется на упор защелки 7. Двигатель реверсируют, и он возвращает поршень вверх, рабочая камера при этом - пуста. Снаряд зажимают в скважине управляемым клиновым прижимом, и он готов к разряду. Командный сигнал на разряд подается на катушку электромагнита 9, и далее операции отжима, зарядки и подготовки источника могут повторяться многократно.

Кинетическая энергия удара может составить около четверти от энергии W= p_г • V, запасаемой в объеме V пустой камеры. Под высоким давлением p_г удар жидкости происходит с большой скоростью, поэтому мощность сейсмических импульсов значительно выше, чем в известных аналогах.

Использование: для возбуждения сейсмических волн из скважин. Источник содержит кабельный электроввод, управляемый клиновой прижим, приводной электродвигатель и силовозбудитель. Силовозбудитель выполнен в виде камеры с окнами в корпусе, которые перекрываются посредством кольцевого затвора, и снабжен поршнем возвратно-поступательного движения. Привод перемещения поршня выполнен в виде ходового винта, подсоединенного через редуктор и управляемую муфту к валу электродвигателя. Окна размещены в нижней части камеры. Затвор, поджатый пружиной, фиксируется защелкой, сопряженной с якорем спускового электромагнита. Над поршнем со стороны, противоположной рабочей камере, размещена газовая полость. Технический результат: достижение большей мощности сейсмического импульса в направлении оси скважины за счет высоких давлений, создаваемых в управляемой имплозионной камере. 1 ил.

Скважинный источник сейсмических импульсов, содержащий корпус, кабельный электроввод, управляемый клиновой прижим, приводной электродвигатель и силовозбудитель, отличающийся тем, что силовозбудитель выполнен в виде камеры с окнами в корпусе, которые перекрываются посредством кольцевого затвора, и снабжен поршнем возвратно-поступательного движения, причем привод перемещения поршня выполнен в виде ходового винта, подсоединенного через редуктор и управляемую муфту к валу электродвигателя, окна в корпусе размещены в нижней части камеры, а затвор, поджатый пружиной, зафиксирован защелкой, сопряженной с якорем спускового электромагнита, и над поршнем со стороны, противоположной рабочей камеры, размещена газовая полость.