ШЛАНГОКАБЕЛЬ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПО СКВАЖИНЕ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК E21B47/00 E21B23/14 H01B7/12 F16L11/127 

Изобретение относится к области нефтепромысловой геофизики и может быть использовано при проведении геофизических исследований нефтяных и газовых скважин.

Основным сопротивлением при движении шлангокабеля по условно горизонтальному участку скважины является сила трения, возникающая в местах контакта шлангокабеля со стенками скважины, а также наличие препятствий (нелинейность скважины, скопление отходов бурения и прочее). Величина этой силы пропорциональна разности веса участка шлангокабеля и архимедовой силы, его выталкивающей.

Известен шлангокабель для непрерывного спуска и подъема долота при бурении скважин [1] с каналами для подачи промывочного раствора и электроэнергии к забою скважины, составленный из пучка металлических трубок, симметрично расположенных по сечению и электрически изолированных.

Наиболее близким к данному изобретению является шлангокабель для сбора и подъема нефтепродуктов из подводного месторождения [2], содержащий каналы для передачи нефтепродуктов и электроэнергии, расположенные внутри секций, которые частично заполнены пеной низкой плотности таким образом, что каждый канал внутри своей секции окружен пеной.

Особенностью такого устройства шлангокабеля является обладание существенным образом отрицательной или положительной нулевой плавучести.

Недостатком такого шлангокабеля является высокое сопротивление его продвижению в условно горизонтальной части скважины со стороны стенок последней из-за недостаточно точного соответствия нулевой плавучести в различных меняющихся средах, присутствующих в скважине.

Технической задачей, решаемой данным изобретением, является уменьшение сил сопротивления продвижению шлангокабеля в условно горизонтальном участке скважины, возникающих в местах контакта шлангокабеля со стенками скважины, а также понижение износа шлангокабеля и увеличение длины его продвижения. Осуществляется это решение за счет значительного уменьшения силы трения ввиду придания шлангокабелю существенным образом точной нулевой плавучести из-за расположенного в нем канала или каналов, с рабочим телом малой плотности (твердое тело, жидкость, газ или их комбинация), а также за счет изменения плавучести в положительную или отрицательную сторону, в зависимости от плотности среды, окружающей шлангокабель. Кроме того, изменение плавучести шлангокабеля позволяет ему с меньшим сопротивлением обходить препятствия (нелинейность скважины, скопление отходов бурения и прочее).

Целью изобретения является придание шлангокабелю точной нулевой плавучести и изменение ее при необходимости.

Рассмотрим силу трения, действующую на участок шлангокабеля, находящийся в горизонтальном участке скважины:

F_TP=k·(Р-F_APX).

Если шлангокабель обладает существенным образом нулевой плавучестью, значит

Р-P_APX≈0 или P≈F_APX.

Так как

F_APX=ρ_Ж·g·V_ШК,

P=ρ_ШК·g·V_ШК,

следовательно

ρ_Ж·g·V_ШК≈ρ_ШК·g·V_ШК или ρ_Ж·g·V_ШК≈ρ_ШК·V_ШК.

Шлангокабель является совокупностью рабочего тела и функциональных элементов с различным объемом и плотностью, поэтому

$${\rho }_{ШК}\cdot V_{ШК}=V_{РТ}\cdot {\rho }_{РТ}+{\displaystyle \sum V_i\cdot {\rho }_i=l_{ШК}\cdot \left(S_{PT}\cdot {\rho }_{PT}+{\displaystyle \sum S_i\cdot {\rho }_i}\right)}$$

$${\rho }_{Ж}\cdot V_{ШК}={\rho }_{Ж}\cdot \left(V_{PT}+{\displaystyle \sum V_i}\right)={\rho }_{Ж}\cdot l_{ШК}\cdot \left(S_{PT}+{\displaystyle \sum S_i}\right)$$

Подставляем полученные выражения в предыдущее соотношение:

$${\rho }_{Ж}\cdot l_{ШК}\cdot \left(S_{PT}+{\displaystyle \sum S_i}\right)\approx l_{ШК}\cdot \left(S_{PT}\cdot {\rho }_{PT}+{\displaystyle \sum S_i\cdot {\rho }_i}\right)$$

Сократив длину участка шлангокабеля и раскрыв скобки, получим:

$$S_{PT}\cdot {\rho }_{Ж}+{\displaystyle \sum S_i}\cdot {\rho }_{Ж}\approx S_{PT}\cdot {\rho }_{PT}+{\displaystyle \sum S_i}\cdot {\rho }_i$$

$$S_{PT}\cdot {\rho }_{Ж}-S_{PT}\cdot {\rho }_{PT}\approx {\displaystyle \sum S_i}\cdot {\rho }_i-{\displaystyle \sum S{\text{}}_i\cdot {\rho }_{Ж}}$$

$$S_{PT}\cdot ({\rho }_{Ж}-{\rho }_{PT})\approx {\displaystyle \sum S_i}\cdot ({\rho }_i-{\rho }_{Ж})$$

Площадь канала(или каналов), содержащего рабочее тело, можно определить по следующей формуле:

$$S_{P.T.}\approx \frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^n{S}_i\cdot \left({\rho }_i-{\rho }_{Ж}\right)}}{{\rho }_{Ж}-{\rho }_{Р.Т.}}$$

где F_ТР - сила трения, возникающая между участком шлангокабеля и стенкой скважины, H;

k - коэффициент трения;

P - вес участка шлангокабеля, H;

F_APX - архимедова сила, действующая на участок шлангокабеля, H;

ρ_Ж - плотность жидкости, окружающей участок шлангокабеля, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

V_ШК - объем участка шлангокабеля, м³;

ρ_ШК - средняя плотность участка шлангокабеля, кг/м³;

V_PT - объем, занимаемый рабочим телом в участке шлангокабеля, м³;

ρ_РТ - плотность рабочего тела, кг/м³;

V_i - объем, занимаемый i-м функциональным элементом в участке шлангокабеля, м³;

ρ_i - плотность i-го функционального элемента шлангокабеля, кг/м³;

l_ШК - длина участка шлангокабеля, м³;

S_PT - площадь сечения участка шлангокабеля, занимаемого рабочим телом, м²;

S_i - площадь сечения участка шлангокабеля, занимаемого i-м функциональным элементом, м²;

i=1…n - условный номер функционального элемента.

Участок шлангокабеля - участок, имеющий по существу точную нулевую плавучесть.

Рабочее тело - тело с плотностью ниже, чем плотность жидкости, окружающей шлангокабель (твердое тело, жидкость, газ или их комбинация).

Жидкость, окружающая шлангокабель, - среда, в которой находится шлангокабель (нефтепродукты, буровая жидкость и т.п.).

Функциональный элемент - составляющая часть шлангокабеля, необходимая для изоляции, придания прочности, передачи различных сред (жидкостей, газов, электроэнергии, информации).

Изменение плавучести шлангокабеля достигается за счет наличия в шлангокабеле системы соединенных каналов, которые, по крайней мере, частично заполнены рабочими телами различной плотности. Причем плотности рабочих тел ниже плотности жидкости, окружающей шлангокабель. Для отсутствия диффузии рабочих тел между ними имеется поршень, который выполнен из эластичного материала, что обеспечивает постоянный контакт между стенкой канала и периферией поршня.

Количество рабочих тел и каналов, их содержащих, может быть различным. Количество каналов определяется исходя из площади сечения, требуемой в конкретном сечении для выбранного рабочего тела и площадей сечений функциональных элементов. Некоторые каналы могут быть глухими и постоянно заполнены рабочим телом одной плотности. Внутри каналов, содержащих рабочее тело, могут находиться функциональные элементы. Количество рабочих тел и поршней, их разделяющих, напрямую зависит от количества раздельных объемов сред, внутри которых перемещается шлангокабель.

На фиг.1 схематично изображен шлангокабель с двумя соединенными на конце каналами; на фиг.2 - шлангокабель с системой из пяти каналов (из которых четыре периферийных соединены с центральным); на фиг.3 - шлангокабель с системой из девяти каналов (из которых периферийные соединены попарно, а центральный - глухой).

Шлангокабель, согласно фиг.1, в основном состоит из следующих элементов: несущий нагрузку и заполняющий элемент 1; изоляционные элементы 2; элементы для передачи различных сред 3; более легкое рабочее тело плотности ρ₁ 4; более тяжелое рабочее тело плотности ρ₂ 5; эластичный поршень 6; сам шлангокабель, окруженный жидкостью 7.

Шлангокабель работает следующим образом.

При погружении в каналах заполняющего элемента 1 шлангокабеля находится более тяжелое рабочее тело 5 с плотностью, достаточной для придания шлангокабелю по существу нулевой плавучести, окруженное изолирующим элементом 2. При возникновении необходимости изменения плавучести шлангокабеля более тяжелое рабочее тело 5 посредством поршня 6 вытесняется более легким рабочим телом 4.

В случае использования шлангокабеля с глухими каналами последние могут быть постоянно заполнены твердым телом (например, пенопластом, парафином, полипропиленом) или комбинацией твердого тела и газа (например, мипора или пенополиуретан в сочетании с водородом, гелием, аммиаком или азотом).

Если функциональный элемент для передачи различных сред 3 расположен внутри канала, содержащего рабочее тело низкой плотности (4 или 5), то эластичный поршень 6 имеет тороидальную форму, а длина его хода ограничена вблизи места соединения каналов, как показано на фиг.3. В этом случае происходит частичная замена рабочего тела.

Реализация способа производится следующим образом.

Для доставки глубинного прибора в интервал исследования скважины используют комбинированный кабель, подающийся с лебедки, расположенной на наземном оборудовании. Верхняя часть этого кабеля состоит из геофизического кабеля, а нижняя - из кабеля переменной плавучести. Последний, в свою очередь, соединен с глубинным прибором, который доставляется в интервал исследований проталкиванием. Изначально каналы шлангокабеля переменной плавучести заполнены рабочим телом с плотностью, достаточной для придания шлангокабелю по существу нулевой плавучести. При необходимости повысить плавучесть кабеля в его соответствующие каналы закачивается рабочее тело соответственно более низкой плотности, чем у имеющегося. Последнее откачивается из соответствующих каналов. При необходимости понизить плавучесть кабеля выполняются действия, указанные выше, но откачивается рабочее тело с более низкой плотностью, а закачивается - с более высокой.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является значительное снижение сил сопротивления движению шлангокабеля, возникающей в местах его контакта со стенками скважины, а следовательно, снижение затрат на оборудование и энергообеспечение установок для исследования нефтяных и газовых скважин, а также понижение износа шлангокабеля и увеличение длины его продвижения в условно горизонтальной части скважины несмотря на изменение плотности окружающей жидкости и нелинейность скважины.

Литература

1. Патент СССР на изобретение №286881 / Шлангокабель для непрерывного спуска и подъема долота при бурении скважин / Гоглов А.Г. №646569/22-13. Заявл. 09.12.1959. Опубл. 19.11.1970.

2. Патент США на изобретение №4332509 / Riser pipe system for collecting and raising petroleum produced from an underwater deposit / Remi Reynard, Christian Atbe, Jean-Paul Aubert №158261. Заявл. 10.06.1980. Опубл. 01.06.1982.

Изобретение относится к области нефтепромысловой геофизики и может быть использовано при проведении геофизических исследований наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин. Техническим результатом является значительное уменьшение сил сопротивления продвижению шлангокабеля в условно горизонтальном участке скважины, возникающих в местах контакта шлангокабеля со стенками скважины, а также понижение износа шлангокабеля и увеличение длины его продвижения. Предложенный шлангокабель содержит по всей длине каналы, заполненные рабочими телами низкой плотности, а также функциональные элементы, представляющие собой составляющие части шлангокабеля, необходимые для изоляции, придания прочности и передачи различных сред - жидкостей, газов, электроэнергии, информации. При этом в качестве рабочих тел могут быть использованы твердое тело, жидкость, газ или их комбинация. Особенностью предложенного шлангокабеля является то, что каналы, заполненные рабочими телами, соединены своими концами друг с другом. Причем указанные рабочие тела имеют различную плотность и разделены между собой эластичными поршнями. Кроме того, шлангокабель может содержать дополнительно глухие каналы, постоянно заполненные рабочим телом низкой плотности. Предложен также способ доставки глубинного прибора в интервал исследования скважины при помощи предложенного шлангокабеля. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Шлангокабель, содержащий внутри себя по всей длине каналы, заполненные рабочим телом низкой плотности, а также функциональные элементы, отличающийся тем, что каналы соединены своими концами и заполнены рабочими телами различной плотности, которые отделены друг от друга эластичными поршнями.

2. Шлангокабель по п.1, отличающийся тем, что некоторые каналы являются глухими и постоянно содержат одно и то же рабочее тело низкой плотности.

3. Шлангокабель по п.2, отличающийся тем, что внутри каналов с рабочими телами низкой плотности могут быть расположены функциональные элементы для передачи различных сред, а эластичные поршни имеют тороидальную форму и длина их хода ограничена вблизи места соединения каналов.

4. Способ доставки глубинного прибора в интервал исследования скважины, отличающийся тем, что применяют комбинированный кабель, верхняя часть которого состоит из геофизического кабеля, а нижняя - из шлангокабеля переменной плавучести по пп.1, 2 или 3, с помощью которого осуществляют проталкивание приборов в забой скважины и при необходимости изменяют плавучесть кабеля при помощи замены содержащихся в нем рабочих тел низкой плотности.