УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБСАЖЕННЫХ СКВАЖИН Российский патент 2010 года по МПК E21B47/00 E21C39/00 

Изобретение относится к области нефтегазовой промышленности и может быть использовано для исследования технического состояния стенок обсадных колонн глубоких скважин.

Известно устройство для контроля технического состояния обсаженных скважин по авт. св. СССР №863849 (опубл. 15.09.81), содержащее заполненный диэлектрической жидкостью корпус с компенсатором давления, верхний и нижний центраторы, электрический блок, ротор с приводом вращения, бесконтактный датчик, размещенный в защитном кожухе с возможностью радиального возвратно-поступательного перемещения исполнительным механизмом при передаче движения от дополнительного привода и смонтированный на конце ротора, выведенного из нижней части корпуса через торцовое отверстие, а также гибкий рукав, соединяющий кожух с корпусом, и наземную аппаратуру.

Такое устройство из-за наличия тонкостенного гибкого рукава, герметично связывающего корпус с кожухом датчика и преимущественно изготавливаемого из металлических бесшовных сильфонов, не обладает требуемой прочностью как в скважинных условиях эксплуатации, так и при транспортировании.

В другом известном устройстве по авт. св. СССР №787627 (опубл. 15.12.80) гибкий рукав отсутствует, а его задачи частично решает уплотнение в торцовом отверстии корпуса, через которое пропущен конец ротора. Такая конструкция приводит к снижению надежности герметизации элементов исполнительного механизма, служащего для изменения радиуса вращения датчика, а также требует применения электровводов для обеспечения электрической связи последнего с электрическим блоком, что значительно усложняет конструкцию устройства. Данное устройство для контроля технического состояния обсаженных скважин является наиболее близким к предлагаемому.

Общим недостатком известных устройств является необходимость применения дополнительного привода с последовательно кинематически связанными цилиндрическим и червячным редукторами для обеспечения вращения приводного торцового кулачка исполнительного механизма с самоторможением от проворачивания в моменты его остановок. Такой привод имеет низкий коэффициент полезного действия, а также требует обеспечения высокого крутящего момента на выходном валу для передачи радиального возвратно-поступательного перемещения датчику вследствие большого передаточного числа рычажно-коромыслового исполнительного органа. Кроме того, размещение дополнительного привода внутри ротора приводит к увеличению осевого габарита и веса прибора, а также исключает возможность ручного управления исполнительным механизмом, что не позволяет упростить конструкцию устройства и его техническое обслуживание в случаях, не требующих исследования обсадных колонн различных диаметров (при наличии хвостовиков) в одной отдельно взятой скважине за один спускоподъем прибора.

Предлагаемым изобретением решается задача упрощения конструкции, повышения надежности, расширения функциональных возможностей, уменьшения осевого габарита и веса устройства.

Для достижения указанных технических результатов устройство для контроля технического состояния обсаженных скважин, содержащее заполненный диэлектрической жидкостью корпус с компенсатором давления, верхний и нижний центраторы, электрический блок, ротор с приводом вращения, бесконтактный датчик, размещенный в защитном кожухе с возможностью радиального возвратно-поступательного перемещения исполнительным механизмом при передаче движения от дополнительного привода и смонтированный на конце ротора, выведенного из нижней части корпуса через торцовое отверстие с уплотнением, и наземную аппаратуру, снабжено присоединенной к кожуху кареткой, установленной на цилиндрической направляющей с устройством для предотвращения от проворачивания, при этом цилиндрическая направляющая выполнена в виде уплотняемого телескопического соединения двух встречно обращенных горловинами гильз с образованием сообщающейся с корпусом и кожухом цилиндрической полости, в которой размещен исполнительный механизм в виде винтовой передачи, взаимодействующей с днищами гильз, одна из которых жестко связана с ротором, а другая - с кареткой.

Причем гильзы ротора и каретки выполнены с последними как одно целое.

Кроме того, винтовая передача содержит винт, жестко связанный с центром днища гильзы каретки, и колпачковую глухую гайку с хвостовиком, установленным в центральном отверстии днища гильзы ротора и образующим с этой гильзой одноподвижную вращательную кинематическую пару.

Кроме того, отверстие в днище гильзы ротора выполнено сквозным, а хвостовик пропущен через него с уплотнением и имеет профилированное окончание под ключ для обеспечения возможности передачи движения извне вовнутрь кожуха.

Кроме того, дополнительный привод выполнен в виде микроэлектродвигателя с редуктором, размещен в гильзе ротора и снабжен зубчатой передачей, входное звено которой соединено с валом редуктора, а выходное - с гайкой.

Кроме того, устройство для предотвращения проворачивания каретки выполнено в виде выполненной на торце ротора опорной плоскости, контактирующей с винтами, установленными на каретке.

Отличительными признаками предлагаемого устройства для контроля технического состояния обсаженных скважин от указанного выше известного наиболее близкого к нему являются наличие присоединенной к кожуху каретки, установленной на цилиндрической направляющей с устройством для предотвращения от проворачивания, выполнение цилиндрической направляющей в виде уплотняемого телескопического соединения двух встречно обращенных горловинами гильз с образованием сообщающейся с корпусом и кожухом полости, в которой размещен исполнительный механизм в виде винтовой передачи, взаимодействующей с днищами гильз, одна из которых жестко связана с ротором, а другая - с кареткой.

Другими отличительными признаками устройства являются: выполнение гильз ротора и каретки за одно целое с последними; наличие в составе винтовой передачи жесткой связи винта с центром днища гильзы каретки и колпачковой глухой гайки с хвостовиком, установленным в центральном отверстии днища гильзы ротора и образующим с этой гильзой одноподвижную вращательную кинематическую пару; выполнение отверстия в днище гильзы ротора сквозным и размещение в нем с уплотнением хвостовика, имеющего профилированное окончание под ключ для обеспечения возможности передачи движения извне вовнутрь кожуха; выполнение дополнительного привода в виде микроэлектродвигателя с редуктором, размещенным в гильзе ротора и снабженным зубчатой передачей, входное звено которой соединено с валом редуктора, а выходное - с гайкой; выполнение устройства для предотвращения проворачивания каретки в виде предусмотренной на торце ротора опорной плоскости, контактирующей с винтами, установленными на каретке.

Предлагаемое устройство для контроля технического состояния обсаженных скважин включает в себя скважинный широкодиапазонный прибор и наземную аппаратуру (не показана), осуществляющую обычные для нее функции: энергоснабжение, выработку требуемых команд управления, регистрацию и обработку результатов измерений.

На фиг.1 представлен один из вариантов исполнения скважинного прибора, общий вид с частичным продольным разрезом; на фиг.2 - другой возможный вариант исполнения скважинного прибора, общий вид с частичным продольным разрезом; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1.

Скважинный прибор на фиг.1 состоит из заполненного диэлектрической жидкостью корпуса 1 с компенсатором 2 давления, верхнего 3 и нижнего 4 центраторов, электрического блока 5, расположенного в баростойкой камере с электровводом 6, основного привода 7 для осуществления вращения ротора 8, несущего бесконтактный, например, взаимоиндуктивный (трансформаторный) датчик 9, размещенный в защитном кожухе 10 с возможностью радиального возвратно-поступательного перемещения исполнительным механизмом при передаче движения от дополнительного привода.

Ротор 8 выполнен полым и установлен в корпусе 1 на шарикоподшипниках. К нижней части ротора 8 жестко присоединена уплотняемая деталь 11, имеющая рабочую цилиндрическую поверхность и кольцевой выступ с периферийным хвостовиком 12, имеющим сечение в виде сегмента круга, к которым жестко присоединен охранный кожух 13, охватывающий защитный кожух 10 и обеспечивающий, таким образом, дополнительную защиту датчика 9 от возможных механических воздействий как при спуске в скважину, так и при транспортировании прибора. Причем в теле охранного кожуха 13 предусмотрено продольное окно для выхода защитного кожуха 10 датчика 9. Нижний торец охранного кожуха 13 защищен пробкой 14. Для уплотнения вращающегося ротора 8 с обеспечением надежной герметизации корпуса 1 при минимальном трении в кольцевом зазоре, образованном торцовым отверстием в корпусе 1 и рабочей цилиндрической поверхностью уплотняемой детали 11, установлен уплотняющий узел, выполненный в виде изготовленной из жесткого антифрикционного материала (например, фторопласта) втулки 15, имеющей на внешней и внутренней поверхностях кольцевые канавки, в которых установлены герметизирующие кольца 16 и 17 из упругого материала, например резиновые кольца круглого сечения. Такое выполнение уплотнения вращающегося соединения является наилучшем при работе в среде буровых растворов с отсутствием одностороннего (избыточного) давления, характерного для корпуса 1 с диэлектрической жидкостью, например трансформаторным маслом, и компенсатором 2, так как обеспечивает снижение сил трения в 3-5 раз по сравнению с типовыми широко применяемыми конструкциями при скоростях до 10 см/с. Данное техническое решение впервые предложено в устройстве для контроля технического состояния обсаженных скважин по заявке на изобретение РФ №2004131122 от 21.08.2004 г., в соответствии с которой в предлагаемом изобретении рассматриваются и возможные варианты исполнения скважинного прибора, связанные с выбором местоположения защитного кожуха 10 с датчиком 9 относительно верхнего и нижнего центраторов 3 и 4.

Так в первом описываемом варианте защитный кожух 10 с датчиком 9 размещен между верхним и нижним центраторами 3 и 4. В этом случае нижний центратор 4 установлен с возможностью вращения на хвостовике 18, жестко присоединенном с одной стороны к пробке 14, а с другой - к обтекателю 19. При этом корпус 1 и ротор 8 могут иметь длину, укороченную на величину осевого габарита нижнего центратора 4. Такое выполнение скважинного прибора также обеспечивает ему более высокую проходимость на спуске в колонку 20 при исследовании обсаженных стволов наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Во втором варианте исполнения скважинного прибора описываемого устройства, представленном на фиг.2, защитный кожух 10 с датчиком 9 размещен под нижним центратором 4 аналогично известным конструкциям. При этом нижний центратор 4 установлен охватывающим нижнюю часть ротора 8 на уменьшенной по диаметру части корпуса 1. Такое выполнение прибора благодаря наличию охранного кожуха 13 с пробкой 14 обеспечивает возможность контроля степени износа внутренней поверхности башмаков и участков смятия обсадных колонн без опасения повреждения защитного кожуха 10 с датчиком 9 при доступе к исследуемым объектам.

В остальном оба варианта исполнения скважинного прибора по конструкции ничем не отличаются друг от друга. При этом устройство для обеспечения возвратно-поступательного перемещения защитного кожуха 10 с датчиком 9 (разрез А-А на фиг.1) выполнено в виде жестко присоединенной к защитному кожуху 10 каретки 21, установленной на цилиндрической направляющей с устройством для предотвращения от проворачивания. Цилиндрическая направляющая выполнена в виде уплотняющего с помощью резинового кольца 22 соединения двух встречно обращенных и входящих одна в другую горловинами гильз 23 и 24 с образованием сообщающихся при помощи отверстий 25, 26, 27, 28 и 29 (см. фиг.3 и 1) цилиндрической полости, в которой размещен исполнительный механизм в виде винтовой передачи. При этом гильза 23 с кареткой 21 и гильза 24 с хвостовиком 12 уплотняемой детали 11 ротора 8 выполнены за одно целое, а винтовая передача содержит винт 30, жестко связанный с центром днища гильзы 23 каретки 21, и взаимодействующую с ним колпачковую глухую чайку 31 с хвостовиком 32, установленным в центральном отверстии днища гильзы 24 ротора 8 и образующим с этой гильзой одноподвижную вращательную кинематическую пару. Для обеспечения возможности передачи вращательного движения гайке 31 извне вовнутрь и решения, таким образом, задачи управления радиальным возвратно-поступательным перемещением защитного кожуха 10 с датчиком 9 в наземных условиях при помощи дополнительного внешнего, например, ручного привода отверстие в днище гильзы 24 ротора 8 выполнено сквозным. При этом хвостовик 32 пропущен через это отверстие с уплотнением, обеспечиваемым резиновым кольцом 33, и имеет профилированное окончание под ключ, например, в виде шлица на торце под отвертку. Такое исполнение винтовой передачи обеспечивает также беспроблемную сборку-разборку конструкции. Причем для облегчения ее сборки путем предварительного захвата витков резьбы винта 30 витками резьбы гайки 31 рабочее окончание последней размещено в гильзе 24 ротора 8 с вылетом из ее горловины.

Для обеспечения необходимости дистанционного управления радиальным возвратно-поступательным перемещением защитного кожуха 10 с датчиком 9 дополнительный привод, как это показано на фиг.3, выполнен в виде реверсируемого микроэлектродвигателя 34 с редуктором 35, закрепленными с помощью круглой гайки 36 со шлицом на торце в отверстии втулки 37, закрепленной, в свою очередь, с помощью круглой гайки 38 со шлицом на торце в гильзе 24 ротора 8. При этом на торце втулки 37, контактирующем с днищем гильзы 24 ротора 8, выполнено цилиндрическое углубление, в котором размешена зубчатая передача, связывающая выходной вал редуктора 35, несущий ведущее зубчатое колесо 39, с ведомым зубчатым колесом 40, выполненным как одно целое с гайкой 31.

Для обеспечения электрической связи датчика 9 с электрическим блоком 5 через электроввод 6 на роторе 8 аналогично известным устройствам установлен щеточно-коллекторный узел (на фиг.1 и 2 не показан). При этом во втулке 37 установлен малогабаритный штепсельный разъем, вилка 41 которого электрически связана с выводами датчика 9, а розетка 42 - с щеточно-коллекторным узлом. Причем электрическая связь между датчиком 9 и вилкой 41 осуществлена при помощи жгута 43 из обмоточных электрически изолированных друг от друга проводов, заключенных в тонкостенную фторопластовую трубку, охватывающую по винтовой линии винт 30. Электрическая связь розетки 41 с щеточно-коллекторным узлом осуществлена при помощи аналогично выполненного жгута 44, пропущенного через отверстия 27, 28, 29 и центральное продольное отверстие в роторе 8. Подобным образом обеспечивается электрическая связь электрического блока 5 и с выводами микроэлектродвигателя 34. Такое выполнение электрических соединений датчика 9 и микроэлектродвигателя 34 с электрическим блоком 5 исключает возможность повреждения проводов как во время работы прибора, так и при осуществлении монтажа-демонтажа каретки 21 с защитным кожухом 10 и заключенным в него датчиком 9. Причем для облегчения монтажа-демонтажа каретки 21 ее поверхность имеет зазор по отношению к встречной поверхности уплотняемой детали 11 ротора 8. При этом для предотвращения проворачивания каретки 21 в рабочем состоянии к ней с обеих сторон относительно оси ее возвратно-поступательного перемещения жестко присоединены планки 45 и 46 с винтами 47 и 48, контактирующими со встречной плоской поверхностью уплотняемой детали 11 ротора 8 и образующими с ней направляющую для прямолинейного движения с трением скольжения. Такая конструкция дает возможность легко устанавливать каретку 21 с необходимой посадкой движения при исключении проворачивания.

В исходном состоянии (при транспортировании скважинного прибора и перед его спуском в исследуемую обсадную колонну 20) каретка 21 находится в контакте с встречной плоской поверхностью хвостовика 12. При этом образующая защитного кожуха 10 совпадает с образующими охранного кожуха 13 и корпуса 1, обеспечивая, таким образом, скважинному прибору возможность контроля технического состояния обсадной колонны 20 наименьшего диаметра из установленного для одного прибора типоразмерного ряда исследуемых колонн (обычно до 5-6 типоразмеров). Для осуществления контроля обсадных колонн 20 большего диаметра необходимо радиус вращения датчика 9 изменить на величину, соответствующую новому типоразмеру колонны. В случае выполнения скважинного прибора в виде конструкции, не предусматривающей использование дополнительного привода в дистанционно управляемом режиме, увеличение радиуса вращения датчика 9 на необходимую величину осуществляют в наземных условиях перед спуском прибора в скважину с помощью ключа (например, отвертки), взаимодействующего с хвостовиком 32 винтовой передачи, а о величине перемещения каретки 21 судят либо по расстоянию между ней и встречной плоской поверхностью хвостовика 12, либо по числу оборотов гайки 31. При наличии же в скважинном приборе возможности дистанционного управления исполнительным механизмом с помощью реверсируемого микроэлектродвигателя 34 о величине перемещения каретки 21 судят по времени работы упомянутого микроэлектродвигателя, измеряемого, например, с помощью специальных электронных часов, предусмотренных в наземной аппаратуре. В обоих случаях при скорости вращения гайки 31 до 10 об/мин с шагом резьбы 0,5 мм достигаемая погрешность определения величины радиуса вращения датчика 9 не превышает ±0,1 мм, что хорошо согласуется с требуемой точностью определения глубины износа внутренней поверхности колонн 0,5÷0,7 мм при погрешности датчика 9, например, трансформаторного типа порядка ±(0,05…0,1) мм. В остальном, исходя из приведенного описания, работа устройства не требует дополнительных пояснений и в основном аналогична работе известных устройств. Здесь следует отметить лишь то, что благодаря обеспечению плавного (бесступенчатого) изменения радиуса вращения датчика 9 предлагаемое устройство в отличие от аналогов может проводить исследование обсадных колонн при минимальных (5-6 мм) зазорах между их внутренней поверхностью и наружной поверхностью защитного кожуха 10. Это позволяет повысить точность измерений вследствие увеличения чувствительности датчика 9 с уменьшением величины упомянутых зазоров. Другим дополнительным преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с известными является более высокая жесткость конструкции исполнительного механизма, позволяющая исключить влияние на точность измерений окружных колебаний защитного кожуха 10 с датчиком 9 при воздействии на них составляющих своего веса во время вращения в процессе исследования обсадных колонн в наклонных и горизонтальных стволах скважин.

Изобретение относится к области нефтегазовой промышленности и может быть использовано для исследования технического состояния стенок обсадных колонн глубоких скважин. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности, расширение функциональных возможностей, уменьшение осевого габарита и веса. Устройство содержит заполненный диэлектрической жидкостью корпус с компенсатором давления, верхний и нижний центраторы, электрический блок, ротор с приводом вращения, бесконтактный датчик, размещенный в защитном кожухе с возможностью радиального возвратно-поступательного перемещения исполнительным механизмом при передаче движения от дополнительного привода и смонтированный на конце ротора, выведенного из нижней части корпуса через торцовое отверстие с уплотнением, и наземную аппаратуру, снабжено присоединенной к кожуху кареткой, установленной на цилиндрической направляющей с устройством для предотвращения от проворачивания, при этом цилиндрическая направляющая выполнена в виде уплотняемого телескопического соединения двух встречно обращенных горловинами гильз с образованием сообщающейся с корпусом и кожухом цилиндрической полости, в которой размещен исполнительный механизм в виде винтовой передачи, взаимодействующей с днищами гильз, одна из которых жестко связана с ротором, а другая - с кареткой. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для контроля технического состояния обсаженных скважин, содержащее заполненный диэлектрической жидкостью корпус с компенсатором давления, верхний и нижний центраторы, электрический блок, ротор с приводом вращения, бесконтактный датчик, размещенный в защитном кожухе с возможностью радиального возвратно-поступательного перемещения исполнительным механизмом при передаче движения от дополнительного привода и смонтированный на конце ротора, выведенного из нижней части корпуса через торцовое отверстие с уплотнением, и наземную аппаратуру, отличающееся тем, что оно снабжено присоединенной к кожуху кареткой, установленной на цилиндрической направляющей с устройством для предотвращения от проворачивания, при этом цилиндрическая направляющая выполнена в виде уплотняемого телескопического соединения двух встречно обращенных горловинами гильз с образованием сообщающейся с корпусом и кожухом цилиндрической полости, в которой размещен исполнительный механизм в виде винтовой передачи, взаимодействующей с днищами гильз, одна из которых жестко связана с ротором, а другая - с кареткой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что гильзы ротора и каретки выполнены с последними как одно целое.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что винтовая передача содержит винт, жестко связанный с центром днища гильзы каретки, и колпачковую глухую гайку с хвостовиком, установленным в центральном отверстии днища гильзы ротора и образующим с этой гильзой одноподвижную вращательную кинематическую пару.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что отверстие в днище гильзы ротора выполнено сквозным, а хвостовик пропущен через него с уплотнением и имеет профилированное окончание под ключ для обеспечения возможности передачи движения извне во внутрь кожуха.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что дополнительный привод выполнен в виде микроэлектродвигателя с редуктором, размещен в гильзе ротора и снабжен зубчатой передачей, входное звено которой соединено с валом редуктора, а выходное - с гайкой.

6. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что устройство для предотвращения проворачивания каретки выполнено в виде выполненной на торце ротора опорной плоскости, контактирующей с винтами, установленными на каретке.