Скважинный электромагнитный трактор Российский патент 2022 года по МПК E21B23/14 H02P25/62 

Изобретение относится к нефтепромысловой геофизике и нефтяному делу.

Известно, что скважинный электромагнитный трактор должен иметь возможность проникать на значительные расстояния в горизонтальные участки нефтяных скважин (обсаженных или необсаженных обсадными колоннами) через насосно-компрессорную трубу, опущенную до начала горизонтального участка скважины.

Это значит, что наружный диаметр трактора должен быть не более 60 мм, а общая длина не превышать Lобщ=9-10 м.

При этом трактор должен тащить за собой геофизический кабель питания и геофизический прибор, выполняющий регистрацию характеристик скважины или окружающего ее горного массива или выполняющий операции по очистке скважины или ловильные операции по отношению к застрявшим в скважине элементам.

Известно техническое решение этой задачи, выполненное фирмой WellTractor (https://welltec.com/ru/products-landing-page/well-tractor/coiled-tubing-well-tractor)

В нем движение трактора по горизонтальному участку скважины осуществляют путем создания статических тяговых усилий вращающимися оребренными шестернями.

Однако, в силу ограниченности радиальных размеров оребренных выдвигающимися на рычагах - коромыслах из тела трактора до упора о стенки скважины шестерен и плеч рычагов-коромысел, затруднительно осуществить значительную статическую силу для продвижения механизма, преодолевающего сопротивление трения и тянущего за собой кабель.

В связи с этим, данные машины, основанные на механизмах, создающих статические тянущие усилия, недостаточные для преодоления сил сопротивления, не могут проникать в горизонтальные участки скважины на значительную глубину - до 4-5 км.

Наибольшим преимуществом в создании значительных тяговых усилий в ограниченных объемах обладают импульсные ударные машины (пневматические, гидравлические и электрические).

При этом совершенно очевидно, что в данном случае могут быть использованы только электрические машины в связи с возможностью канализации энергии на большие расстояния только по электрическому кабелю.

Известна электромагнитная ударная горизонтальная машина для проходки горизонтальных скважин в грунте, включающая сплошной корпус, связанную с ним наковальню, электромагнитные катушки, расположенные внутри корпуса и объединенные в парные группы, боек, состоящий из основных ферромагнитных частей и соединительных вставок. (А.С. №1180454).

Причем диаметр основных частей бойка равен диаметру внутреннему диаметру катушек, а диаметр соединительных вставок, меньше диаметра основных частей.

При этом на каждую основную ферромагнитную часть бойка синхронно и поочередно воздействует своя пара катушек, обеспечивая бойку возвратно-поступательное движение.

При этом боек под действием одних катушек из каждой группы разгоняют в одном направлении и наносят удар по наковальне, связанной корпусом, продвигая его вперед в направлении движения машины, а под действием другой пары катушек отводят в обратном направлении для подготовки к совершению последующего удара.

Таким образом, в каждый момент времени на боек одновременно и в одинаковом направлении действуют катушки из одной группы.

Соединительные вставки в бойке предназначены для того, чтобы можно было разнести группы катушек между собой, чтобы каждая катушка в группе одновременно воздействовала только на свою ферромагнитную часть бойка в одинаковом направлении и не тормозила его, воздействуя на другие его ферромагнитные части.

Недостатками известной конструкции являются следующее:

- энергию разгона бойка в направлении перемещения машины по скважине обеспечивают только половиной всех катушек;

- выполнение соединительных ставок ферромагнитными снижает тяговые силы катушек.

Оба этих фактора снижают удельную ударную мощность машины. Известная конструкция позволяет наносить удары бойком только по одной наковальне, связанной с корпусом, а это значит, что все катушки должны находиться в едином корпусе.

А это не позволяет выполнить его гибким, чтобы проходить изгибы скважины при переходе ее в горизонтальный участок.

Техническим результатом, решаемым предлагаемым изобретением, является создание устройства, позволяющего увеличить его ударную мощность при обеспечении гибкости его корпуса.

Технический результат в предлагаемом изобретение достигают созданием скважинного электромагнитного трактора, включающего корпус, связанную с ним наковальню, электромагнитные катушки, расположенные внутри корпуса, боек, состоящий из ферромагнитных частей и соединительных вставок, в котором, согласно изобретению, корпус выполнен сборным из отдельных корпусов, связанных между собой разделительными звеньями с шарнирным узлом, причем в каждом корпусе размещена своя электромагнитная катушка, снабженная двумя полюсами - передним и задним, жестко связанными с корпусом и между которыми расположена диамагнитная направляющая, предназначенная для перемещения ферромагнитных частей бойка каждой катушки и имеющая контакт с соответствующей ферромагнитной частью бойка, причем ферромагнитные части бойка разделены друг от друга немагнитными вставками, жестко соединяющими ферромагнитные части между собой, а на немагнитной вставке в месте ее соприкосновения с ферромагнитной части выполнен буртик, обеспечивающий упор в конусное сужение на передних полюсах.

Снабжение корпуса скважинного электромагнитного трактора гибкими шарнирными узлами, позволяет обеспечить возможность прохождения искривлений ствола скважины при переходе к ее горизонтальному участку. Это стало возможным за счет распределения энергии удара по всему корпусу вместо ее приложения в одной точке.

С целью обеспечения гибкости корпуса скважинного трактора, необходимой для преодоления участков искривления НКТ и обсадной колонны, корпус трактора выполняют сборным, состоящим из соединенных корпусов отдельных катушек

Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием конструкции и чертежом, на котором показан продольный разрез предлагаемого скважинного электромагнитного трактора.

Скважинный электромагнитный трактор включает корпус, выполнен сборным в виде набора отдельных корпусов 1, связанную с ним наковальню 2, электромагнитные катушки 3, расположенные внутри корпуса, боек, состоящий из ферромагнитных частей 4 и немагнитных вставок 5.

Причем в каждом корпусе 1 размещена своя электромагнитная катушка 3, снабженная двумя полюсами - передним 6 и задним 7, жестко связанными с корпусом и между которыми расположена диамагнитная направляющая 8, предназначенная для перемещения ферромагнитных частей 4 бойка каждой катушки 3 и имеющая контакт с соответствующей ферромагнитной частью 4 бойка.

Ферромагнитные части 4 бойка разделены друг от друга немагнитными вставками 5, жестко соединяющими ферромагнитные части 4 между собой, а на немагнитной вставке 5 в месте ее соприкосновения с ферромагнитной части 4 выполнен буртик 9, обеспечивающий упор в конусное сужение на передних полюсах 6.

Каждая электромагнитная катушка воздействует на свою ферромагнитную часть бойка 4, которые по длине равны длине катушек, или немного больше их.

Число ферромагнитных частей 4 бойка равно числу катушек 3.

Диаметр немагнитных вставок 5 меньше в 1,5…2 раза диаметра ферромагнитных частей 4 бойка.

Электромагнитные катушки 3 размещены в корпусах 1 и раздвинуты друг от друга разделительными звеньями 10, равными по длине немагнитным вставкам 5.

Соединение корпусов 1 катушек выполняют с помощью разделительных звеньев 10, внутри каждого из которых или на некоторых из них устанавливают шарнирный узел 11.

Количество шарнирных узлов 11 определяют кривизной перехода к горизонтальному участку скважины.

Каждая электромагнитная катушка снабжена двумя полюсами - передним 6 и задним 7, жестко связанными с корпусами 1 катушек.

Передние полюса 6 размещены со стороны рабочего зазора 5 электромагнитов, а задние 7 - со стороны паразитного зазора.

Через передние полюса 6 (кроме переднего полюса 6 на первой катушке 3 проходят немагнитные вставки 5 бойка, но не могут проходить его ферромагнитные части 4.

Это обеспечивают следующим образом.

Передние полюса 6 имеют конусные сужения, которые по проходному диаметру меньше, чем диаметр направляющей 8 внутри катушек, по которой перемещают ферромагнитные части 4 бойка.

Через это конусное сужение свободно проходят немагнитные вставки 5 бойка, которые по диаметру меньше ферромагнитных частей 4.

На переходе от ферромагнитной части к немагнитной вставке имеется буртик 9, который упирается в конусное сужение на полюсах 6.

Этот переходной буртик не позволяет ферромагнитным частям бойка пройти через передние полюса катушек.

При движении бойка под действием всех катушек одновременно этими буртиками 9 боек наносят удар по передним полюсам 6, который передается корпусу 1 скважинного трактора.

Между полюсами 6, 7 катушек 3 расположены диамагнитные направляющие 8, на которые намотаны катушки.

По направляющим 8 перемещают ферромагнитные части 4 бойка каждой катушки 3.

Для того, чтобы не было заклинивания бойка при движении по направляющим, их длина L_напр должна быть больше длины катушек Lк в 1,3-1,5 раза L_напр=(1,3-1,5)L к

Работа предлагаемого скважинного трактора происходит следующим образом.

Машину на кабеле опускают в скважину через НКТ, проходят участок кривизны обсадной колонны и за счет шарнирных узлов 11 в разделительных звеньях 10 корпуса и доходят до горизонтальной части скважины.

После этого происходит включение машины.

При этом все электромагнитные катушки 3 включают одновременно и действуют на свои ферромагнитные части 4 бойка, создавая электромагнитную силу F_э, действующую на боек.

где N- число катушек.

Эта сила равна сумме электромагнитных сил катушек F_эi. Под действием этой силы боек разгоняется, проходя путь равный зазору катушек δ и приобретает энергию А_уд. А_уд=F_э⋅8.

С этой энергией боек наносит удар по наковальне 2 и передним полюсам 6, жестко связанным с корпусом трактора.

В результате этого на корпус скважинного трактора действует импульс силы ΔF, перемещающий его в направлении разгона бойка.

При этом машина перемещается по скважине и тянет за собой питающий кабель.

После удара катушки отключают, и боек в обратном направлении перемещают пружиной 12, связанной с крышкой 13. Питание катушек обеспечивают по кабелю 14.

Таким образом, в отличие от прототипа, в предлагаемом техническом решении скважинного трактора энергия удара бойка обеспечивают действием всех N одновременно действующих на боек электромагнитных катушек, что повышает ударный импульс машины, а значит и эффективность его перемещения по скважине.

Заявлен скважинный электромагнитный трактор. Техническим результатом является создание устройства, позволяющего увеличить его ударную мощность при обеспечении гибкости его корпуса. Скважинный электромагнитный трактор включает связанную с ним наковальню, электромагнитные катушки, расположенные внутри корпуса и объединенные в парные группы. Боек, состоящий из ферромагнитных частей и соединительных вставок. Корпус выполнен сборным из отдельных корпусов, связанных между собой разделительными звеньями с шарнирным узлом. В каждом корпусе размещена своя электромагнитная катушка, снабженная двумя полюсами - передним и задним, жестко связанными с корпусом и между которыми расположена диамагнитная направляющая, предназначенная для перемещения ферромагнитных частей бойка каждой катушки и имеющая контакт с соответствующей ферромагнитной частью бойка. Ферромагнитные части бойка разделены друг от друга немагнитными вставками, жестко соединяющими ферромагнитные части между собой. На немагнитной вставке в месте ее соприкосновения с ферромагнитной частью выполнен буртик, обеспечивающий упор в конусное сужение на передних полюсах. 1 ил.

Скважинный электромагнитный трактор, включающий корпус, связанную с ним наковальню, электромагнитные катушки, расположенные внутри корпуса и объединенные в парные группы, боек, состоящий из ферромагнитных частей и соединительных вставок, отличающийся тем, что корпус выполнен сборным из отдельных корпусов, связанных между собой разделительными звеньями с шарнирным узлом, причем в каждом корпусе размещена своя электромагнитная катушка, снабженная двумя полюсами - передним и задним, жестко связанными с корпусом и между которыми расположена диамагнитная направляющая, предназначенная для перемещения ферромагнитных частей бойка каждой катушки и имеющая контакт с соответствующей ферромагнитной частью бойка, причем ферромагнитные части бойка разделены друг от друга немагнитными вставками, жестко соединяющими ферромагнитные части между собой, а на немагнитной вставке в месте ее соприкосновения с ферромагнитной частью выполнен буртик, обеспечивающий упор в конусное сужение на передних полюсах.