Способ и устройство обеспечения контакта электровводов с обсадной колонной в многоэлектродном скважинном зонде электрического каротажа через металлическую колонну Российский патент 2017 года по МПК G01V3/20 E21B47/125 

Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважины и может найти применение для определения удельного электрического сопротивления горных пород, окружающих обсаженную металлической колонной скважину.

Известен способ обеспечения контакта электровводов с обсадной колонной в многоэлектродном скважинном зонде электрического каротажа через металлическую колонну в условиях значительной коррозии стенки обсадной колонны [1]. Этот способ состоит из операций выдвижения электровводов, их прижатия к стенке скважины, периодического механического воздействия на электровводы гидравлическим приводом путем последовательной многократной подачи и сброса увеличивающегося импульсного давления. Эффективность обеспечения электрического контакта с колонной при этом способе низкая. Время, за которое происходит «накачка» (прижатие электродов к стенке), составляет 20-30 секунд, время «отпускания» (складывания электродов), составляет 1-5 секунд. Таким образом, время периода воздействия электродов на стенку составит 21-35 секунд, что снижает скорость проведения каротажа. Это очень плавное воздействие на электровводы, которое передается через упругую среду (весь объем рабочей жидкости гидропривода, находящийся под рабочим давлением). Импульсы давления жидкости, генерируемые электромагнитом, не могут оказывать существенного влияния на процесс обеспечения контакта, поскольку амплитуда давления импульса не может быть высокой по причине малого соотношения объема впрыскиваемой жидкости ко всему соотношению объема впрыскиваемой жидкости ко всему объему рабочей жидкости гидропривода, находящемуся под рабочим давлением. Эти импульсы успешно гасятся не только этим объемом, но еще и полимерными шлангами и гофрами с низким модулем упругости, которые имеются в приводе. При этом энергия импульса распределяется,согласно закону Паскаля на все имеющиеся электроды одновременно. Можно сказать, что в данном способе обеспечение контакта электровводов с колонной происходит под воздействием статической нагрузки, чем затрудняется прорезание твердых отложений на стенке колонны до основного металла, теряется время на повторные попытки обеспечения контактов, чем снижается скорость проведения каротажа.

Целью настоящего изобретения является быстрое надежное обеспечение контакта электровводов с колонной и, как следствие, увеличение скорости и качества каротажа. Для этого в способе, включающем операции выдвижения, прижатия, импульсного механического воздействия на электровводы (приводом), все манипуляции с электровводами производят вращением винтовых пар, импульсное механическое воздействие производится индивидуально на каждый электрод ударно с врезанием заостренных электровводов в стенку обсадной колонны.

Для чего периодически накапливают потенциальную энергии пружин и затем ее освобождают при скачкообразном выходе из винтового взаимодействия винтовых пар гребней. Указанная последовательность операций и использование перечисленных при этом средств (инструментов) позволяет существенно повысить качество контакта электровводов с колонной.

Пружина может иметь рабочее усилие до нескольких сот килограммов. На практике, как показал опыт, достаточно иметь нескольких десятков килограммов, чтобы легко одним ударом прорубить нежелательные отложения на колонне. Периодическое воздействие ударами позволяет очистить зону контакта от осколков и внедрить электровводы в тело колонны.

На фигуре показана схема, поясняющая сущность действия способа и устройства для его осуществления.

В качестве прототипа устройства выбрано прижимное устройство электрического каротажа обсаженных скважин [2].

Это устройство состоит из корпуса, привода с выходным валом, центраторов, электродов. Каждый из электродов и центраторов расположены вдоль оси прибора и связаны последовательно через рычаги с соответствующим механизмом, который обеспечивает их упругое прижатие к стенке скважины. Механизм содержит соосно выполненные с валом обойму, основную пружину, винт и гайку с винтовыми гребнями. Винт выполнен непосредственно на валу и постоянно находится в винтовом взаимодействии с гайкой. На гайке выполнена проточка, в которой установлены обойма и пружина, постоянно поджимающая обойму. Привод имеет концевые выключатели со специальным механизмом для автоматического отключения привода в конечных положениях.

Недостатком устройства является слабая эффективность обеспечения электрического контакта колонны с электродами, что обусловлено наличием загрязненного и корродированного слоя на обсадной колонне. Это влияет на качество полученных материалов при каротаже. Для надежного контакта с колонной приходится проводить специальные работы по очистке скважины, привлекая специальную технику и специалистов, а это сказывается на увеличении цены проводимых работ и времени исследований. Кроме этого, в данной конструкции невозможно обеспечить в процессе эксплуатации возвращение в исходное положение центраторов и электродов по причине наличия в сложной конструкции при значительной длине (отношение длины к поперечному размеру более 500) изменяющихся зазоров по причине износа и упругой деформации элементов конструкции. Также существует сложность их установки в исходное (беззазорное положение), это связано с разбросом размеров в пределах допусков, когда суммарное поле допусков может колебаться в широких пределах, а также с относительным положением винтовых пар. Такое обстоятельство вынуждает вводить в конструкцию всевозможные регулировки для устранения зазоров и выводить в начальное положение индивидуально каждую винтовую пару, что весьма осложняет сборку, настройку и эксплуатацию данной конструкции. Положение усугубляется, если винтовые пары будут иметь разные шаги и величину хода. Подобная задача возникает в наклонных и горизонтальных скважинах, когда необходимо произвести более раннее раскрытие центраторов, чтобы врезающиеся в колонну электровводы затем равномерно прижались по диаметру скважины и не препятствовали поперечным движением по стенке перемещению прибора, перегружая привод. Некачественно прижатые электровводы снижают качество каротажа.

Целью настоящего изобретения является надежное обеспечение контакта с исследуемой поверхностью скважины и автоматического возвращения в исходное положение всех центраторов и электродов при реверсе выходного вала независимо от величины хода, относительного положения или шага винтовых пар, упрощение конструкции, процесса сборки и наладки устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, состоящем из корпуса, привода с выходным валом, нескольких центраторов и электродов, расположенных вдоль оси скважины, каждый из которых последовательно связан через рычаги с соответствующими механизмами, содержащими соосно выполненные с валом обоймы, связанные с рычагами, пружины, винтовые пары, включающие винты и гайки с винтовыми гребнями, вал имеет по три упора для каждой винтовой пары, между первыми и вторыми упорами размещены обоймы, а между вторыми и третьими упорами размещены винты и пружины, винты и гайки образуют поступательные пары с валом и корпусом соответственно, с возможностью их выхода из винтового взаимодействия в противоположных направлениях и генерации ударных нагрузок концами винтовых гребней при обеспечении их упругого поджатия пружинами.

Скважинный прибор состоит из корпуса, электромеханического привода с выходным валом, управляемых центраторов и электродов с электровводами, которые через рычаги и механизмы связаны с выходным валом. На фиг. 1 схематично изображена часть скважинного прибора (привод не показан), где электрод представляет собой центратор с электровводами, выполненными в виде роликов. Электроды связаны с выходным валом через механизм. Верхние рычаги 9 связаны с корпусом 1 прибора, а нижние - с обоймой 8 при помощи осей 16. Рычаги 9 связаны между собой осями 13, на которых установлены электровводы 14, выполненные в виде остро заточенных роликов. Механизм представляет собой подпружиненную винтовую пару. Элементы механизма расположены между упорами 3, 4, 5. Все упоры могут быть выполнены или сплошными, как показан упор 4 на фиг. 3, или в виде стопорных колец, как показано на фиг. 1. Упоры 3 и 4 выполнены в виде упругих колец и установлены в канавках выходного вала 2. Упор 5 выполнен в виде жесткого кольца и фиксируется на валу 2 штифтом 17. Рычаги 9 закрыты, при этом винт 6 выведен из винтового взаимодействия с гайкой 10 и прижат пружиной 7 через шайбу 12 и гайку 10 к упору 4, при этом винтовые боковые поверхности гребней винта 6 и гайки 10 прижаты между собой. Конструктивно гайка 10 и обойма 8 могут быть выполнены как отдельными деталями, соединенными жестко между собой, так и объединенными. Гайка 10 и обойма 8 на чертежах показаны объединенными в единую деталь. Винт 6 при помощи паза 20 и шпонки 15 образует с валом 2 поступательную пару, а гайка 10 при помощи сухаря 18 и паза 19 образует поступательную пару с корпусом 1.

Раскрытие рычагов происходит следующим образом. Механизм находится в закрытом положении, фиг. 1. При вращении вала 2 и связанного с ним винта 6, витки гребня гайки 10 вступают в винтовое взаимодействие с витками гребня винта 6, гайка 10 перемещается вверх. При дальнейшем вращении вала обойма 8 вместе с гайкой 10 начинает перемещаться вверх относительно корпуса 1. Рычаги 9 раскрываются. В момент, когда прижимные зонды, центраторы или электроды достигнут стенки скважины, гайка 10 вместе с обоймой 8 остановятся. При этом винт 6, вращаясь, начнет перемещаться вниз относительно вала 2, сжимая пружину 7 до тех пор, пока не выйдет из винтового взаимодействия с гайкой 10. В этот момент, под действием пружины 7, произойдет резкое соскакивание (на величину шага) резьбы винта с резьбы гайки, т.е. произойдет удар винта 6 по гайке 10. Удары винта 6 передаются через гайку 10, обойму 8 и рычаги 9 на электровводы 14, которые начинают энергично внедряться в стенку скважины. При дальнейшем вращении вала и связанного с ним винта, удары будут повторяться. При остановке вращения вала 2 упругое действие сжатой пружины 7 будет передаваться через шайбу 12 с обоймой 8, через винт 6 на гайку 10, рычаги 9 центраторов и электродов, обеспечивая тем самым их упругое поджатие к стенке скважины. Если раскрытие механизма происходит вне скважины, например для проверки работы прибора, рычаги будут раскрываться до тех пор, пока обойма 8 не дойдет до уора 3 на валу, ограничивая тем самым величину их максимального раскрытия.

Закрытие рычагов происходит следующим образом. Механизм находится в раскрытом положении, как показано на фиг. 2. Рычаги механизма раскрыты до контакта со стенками скважины, при этом винтовые боковые поверхности гребней винта 6 и гайки 10 прижаты пружиной 7. При реверсивном вращении вала 2 и связанного с ним винта 6, винт, под действием пружины 7, будет закручиваться в гайку 10, перемещаясь при этом вверх до упора 4. Дальнейшее реверсивное вращение вала 2 и связанного с ним винта 6 приведет к тому, что гайка 10 начнет перемещаться вниз и будет увлекать обойму 8 за собой. Рычаги 9 закроются. При дальнейшем реверсивном вращении вала 2 и связанного с ним винта 6, резьба винта выходит из винтового взаимодействия с резьбой гайки 10, поэтому складывание всех электровводов и центраторов произойдет непременно с небольшой разницей во времени без использования устройств с концевыми выключателями.

Конструкция устройства может иметь варианты. Например, для удобства сборки, как показано на фиг. 3, упоры вала установлены на дополнительной детали, представляющую собой гильзу 21. Упоры 3, 5 выполнены в виде стопорных колец, а упор 4 - заодно с гильзой 21. Устройство может быть выполнено с дополнительной пружиной 11, как показано на фиг 3, здесь необходимость в шайбе 12 (фиг. 1, 2) отпадает. Дополнительная пружина 11 может быть установлена как показано на фиг. 4, здесь поджатие винтовой пары осуществляется через дополнительную обойму 22.

Винтовые гребни винта и гайки могут быть выполнены многозаходными. Это улучшает центровку, снижает контактные напряжения, повышает долговечность, снижает вероятность заклинивания. Для снижения трения и повышения кпд в механизмах прибора поступательные и вращательные пары трения могут быть выполнены с телами качения. Например, вместо шпонки 7 могут быть установлены шарики или ролики, а вместо шайбы 12 - упорный подшипник.

Таким образом, в отличие от прототипа, предлагаемая конструкция скважинного прибора позволяет производить открытие и закрытие управляемых зондов, центраторов, электродов без концевых выключателей. Кроме этого, винтовые пары могут иметь различные параметры шага резьбы и величины хода. В механизмах центраторов, не имеющих врезающихся электродов, целесообразно иметь увеличенный шаг, чтобы в момент раскрытия, когда прибор находится на стенке наклонной скважины, врезающиеся электроды не цеплялись за стенки и не препятствовали установке прибора по оси скважины. В противном случае произойдет изменение измерительной базы, что снизит качество производимых замеров. Время открытия/закрытия прибора будет определяться механизмом с максимальным временем работы. При этом износ осей и рычагов прибора не изменит надежного прилегания рычагов к прибору при закрывании механизмов. Винтовые пары изначально могут находиться в любых относительных положениях. При первом же включении привода в любом направлении через время, соответствующее полному открытию/закрытию механизмов, элементы прибора будут находиться в одном из крайних положений. Это также упрощает сборку и наладку прибора, исключает рутинную подгонку значительного числа элементов прибора при установке их в начальные положения. Эффективным положительным свойством конструкции является возможность внедрять электроды ударным путем в стальную поверхность обсадной колонны, обеспечивая надежный электроконтакт независимо от нежелательных отложений на стенке в виде асфальтов, парафинов, окислов железа, цемента, песка, глины и т.д. Этим обеспечивается точность измерений и достоверность информации. Положительные качества новой конструкции скважинного прибора были достигнуты с упрощением конструкции, благодаря признакам, включенным в отличительную часть формулы изобретения.

Способ и конструкция проверены в скважинных условиях. Результаты полученных материалов показывают высокое качество и увеличение скорости каротажей, работа устройства показала надежность, технологичность, удобство в обслуживании. Готовится выпуск партии приборов электрического каротажа обсаженных скважин, соответствующей данному изобретению.

Источники информации

1. Способ и устройство электрического каротажа обсаженной скважины, RU №2306582, 21.11.2005.

2. Устройство электрического каротажа обсаженных скважин, RU №2361245, 19.02.2008.

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и предназначено для обеспечения контакта электровводов с обсадной колонной в многоэлектродном скважинном зонде электрического каротажа через металлическую колонну в условиях значительной коррозии стенки обсадной колонны и наличия на ней цемента, парафинов, смол. Согласно заявленному предложению на электроды индивидуально воздействуют ударом периодически накапливаниемой потенциальной энергии пружин, производимой вращением винтовых пар и скачкообразным (ударным) освобождением энергии при выходе из винтового взаимодействия гребней винтовых пар. Устройство для осуществления способа представляет собой конструкцию привода, имеющего выходной вал, который приводит в действие винтовые пары. Винтовые пары при прямом вращении раскрывают центраторы и прижимают упруго электровводы к стенке обсадной колонны, ударно производят периодическое воздействие на электроды, жестко связанные с электровводами. При этом происходит врезание электровводов в стенку обсадной колонны. Ударное воздействие происходит при выходе из винтового взаимодействия винта и гайки, поджатой силовой пружиной. При обратном вращении вала происходит восстановление винтового взаимодействия в винтовых парах, возвращение электродов и центраторов в исходное положение, а затем винтовые гребни вновь выходят из винтового взаимодействия, но с других концов. Этим достигается автоматическое позиционирование привода в крайних положениях. Технический результат - повышение скорости и качества проведения каротажа, упрощение конструкции. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ обеспечения контакта электровводов многоэлектродного зонда электрического каротажа через металлическую колонну в условиях значительной коррозии стенки колонны и наличии на ней цемента, парафинов, смол, в котором выдвигают и прижимают к стенке электровводы, производят на них импульсное механическое воздействие, отличающийся тем, что все манипуляции с электровводами производят вращением винтовых пар, импульсное механическое воздействие производят индивидуально ударно на каждый электрод с врезанием заостренных электровводов в стенку обсадной колонны, для чего энергию периодически накапливают в потенциальную энергию пружин, а затем скачком (ударно) освобождают энергию при выходе из винтового взаимодействия пар винтовых гребней.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что удары по электродам производят последовательно путем относительного разворота концов гребней винтовых пар.

3. Устройство обеспечения контакта заостренных электровводов многоэлектродного скважинного зонда электрического каротажа через металлическую колонну в условиях значительной коррозии стенки обсадной колонны и наличия на ней цемента, парафинов, смол, состоящее из корпуса, привода с выходным валом, нескольких прижимных зондов, управляемых центраторов, электродов, каждый из которых последовательно связан через рычаги с соответствующими механизмами, содержащими соосно выполненные с валом обоймы, связанные с рычагами, пружины, винтовые пары, включающие винты и гайки с винтовыми гребнями, отличающееся тем, что вал имеет по три упора для каждой винтовой пары, между первыми и вторыми упорами размещены обоймы, а между вторыми и третьими упорами размещены винты и пружины, винты и гайки образуют поступательные пары с валом и корпусом соответственно, с возможностью их выхода из винтового взаимодействия в противоположных направлениях и генерации ударных нагрузок концами винтовых гребней при обеспечении их упругого поджатия пружинами.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, приводы механизмов центраторов, не имеющих врезающихся электродов, выполнены с увеличенным шагом винтовых пар относительно приводов связанных с врезающимися электродами.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что упоры выполнены в виде стопорных колец.

6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что в механизм введена дополнительно гильза, охватывающая вал, жестко связанная с ним и на которую перенесены упоры вала.

7. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что поступательные пары снабжены телами качения.

8. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что винтовые гребни гаек и винтов выполнены многозаходными.

9. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что соосно с валом в механизмы введены дополнительные пружины, обеспечивающие упругое поджатие гаек к винтам при сложенных рычагах.

10. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что обоймы и гайки представляют собой единую деталь.