Скважинное устройство для измерения давления, температуры и влагосодержания Российский патент 2025 года по МПК E21B47/06 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для измерения параметров потока флюида (нефть, вода, газ и их смеси), таких как температура, давление, влагосодержание (скважинным датчикам), и может быть использовано для анализа параметров в горизонтальных скважинах, в том числе скважинах с многостадийным гидроразрывом пласта (ГРП).

Большинство существующих технических решений в этой области, как правило, являются модификациями устройств, использующихся на поверхности, т.е. используются схожие компоненты, основанные на одной и той же технологии. Основной проблемой при модификации устройств для использования в скважинах, особенно в горизонтальных скважинах, является модификация конструкции самого устройства, которая будет позволят использовать известные датчики давления, температуры и влагомеров в сложных скважинных условиях. Другой задачей является необходимость организации спуска такого устройства в скважину, при котором не будет повреждений датчиков, и устройство может быть установлено в нужном месте для получения корректных данных. Особенно актуальным это является при необходимости получения данных в районе портов ГРП.

Для размещения датчиков используются также специальные конструкции держателей для размещения их в скважине. Например, известен держатель скважинного датчика (патент RU2717010, опубл. 17.03.2020, МПК: 47/01), содержащий корпус, в котором выполнен продольный паз, предназначенный для размещения в нем скважинного датчика с присоединённым к нему глубинным кабелем, отличающийся тем, что в пазе установлен протектор, предназначенный для защиты глубинного кабеля, при этом протектор фиксируют на корпусе при помощи крышек, закреплённых при помощи винтов, а в корпусе вдоль расположения скважинного датчика выполнены отверстия, в которых установлены поджимные винты, предназначенные для фиксации скважинного датчика.

Общими признаками являются размещение датчиков для измерения и кабелей в одной конструкции. Однако предложенная конструкция не обеспечивает защиту электрических контактов датчиков с кабелями, а также не обеспечивает возможность упрощения размещения устройства в скважине.

На практике отдельной задачей является необходимость правильно разместить устройство в скважине и при этом обеспечить доставку устройства в нужное место скважины без повреждений, что является сложным, учитывая, что в скважине могут находиться различные загрязнения, затрудняющие размещение геофизических устройств.

В связи с чем обычно после бурения и/или перед размещением геофизических приборов осуществляют промывку скважины для удаления потенциальных загрязнений.

Известен датчик скважинного расходомера (патент RU 2536079, опубл. 20.12.2014, МПК: E21B 47/10, G01F 1/10), задачей которого является надежная работа в загрязненных скважинных жидкостях при различных неограниченных глубинах его погружения в скважину и гидродинамических её исследованиях. Известный датчик включает встроенный корпус, установленный в нем тахометрический преобразователь, включающий корпус преобразователя, крыльчатку с валом, размещенным в опорах с зазором, механо-электрический преобразователь вращения крыльчатки, установленный в корпусе преобразователя и представляющий собой подвижный его элемент в корпусе преобразователя и подвижный - на валу крыльчатки, узел защиты, включающий установленные на опоры колпаки, один из которых является корпусом преобразователя, и источник защитной среды в виде капсулы, с которым сообщен колпак корпуса преобразователя колпаков. В качестве защитной среды использовалась защитная жидкость, не смешивающаяся со скважинной и имеющая меньшую, чем у нее плотность. Капсула установлена в корпусе датчика так, причем объем защитной жидкости в ней не меньше объема колпака корпуса преобразователя. Капсула выполнена в виде шприца с подпружиненным поршнем в ее корпусе, подпоршневой объем которого сообщен с объемом колпака корпуса преобразователя. Поршень выполнен с возможностью контактирования с его стопором, установленным на изогнутой пластине снаружи корпуса капсулы, выполненной с обратной связью с поплавком, перемещающимся по корпусу капсулы.

Однако известная конструкция датчика скважинного расходомера очень сложна и требует зарядки капсул защитной жидкостью. Легкосъемность таких капсул может приводить к их отрыву при спуске устройства в скважину.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) был выбран мультифазный расходомер (патент US 9347310, опубл. 24.05.2016, МПК: E21B 47/001, E21B 47/10, E21B 47/06, E21B 47/00, G01F 1/74), который может использоваться в скважине и включает датчики давления, температуры и влагомер, который основан на измерении обводненности в ближнем инфракрасном диапазоне. Такой влагомер может включать обмываемый газожидкостной смесью (ГЖС) конец, состоящий из закрепленного на фланце концевого зонда с герметичными оптическими окнами. Над фланцем может быть также прикреплен контейнер для электроники.

Общими признаками являются использование датчиков температуры и давления, а также чувствительный элемент, выполненный омываемым для ГЖС, для определения влагосодержания.

Однако в известном техническом решении описаны подходы по расчету значений обводненности, но не обеспечены конструктивные особенности самого устройства, за счет которых оно располагается в скважине и может быть упрощено размещение устройства в скважине.

Технической задачей изобретения является упрощение конструкции скважинного устройства для измерения температуры, давления и влагосодержания с сохранением возможности работы датчиков в горизонтальных скважинах, снижение рисков допущения ошибки при спуске устройства в скважину, упрощение расположения устройства в скважине (в том числе в горизонтальной скважине).

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции устройства одновременно с повышением надежности работы датчиков (в том числе за счет снижение рисков допущения ошибки при спуске устройства в скважину) и обеспечением возможности использования устройства в загрязненных скважинах.

Технический результат достигается за счет использования скважинного датчика, который две секции, последовательно соединенные между собой, при этом геометрические размеры поперечного сечения второй секции не превышают диаметр первой секции,

первая секция представляет собой герметичную емкость, выполненную в форме трубы, внутри которой расположен блок связи и управления, и на внешней поверхности которой установлены по меньшей мере один датчик давления и один датчик температуры, соединенные с блоком связи и управления, при этом внутренняя полость секции заполнена герметичным материалом,

вторая секция включает систему для определения влагосодержания, которая соединена с блоком связи и управления и выполнена с возможностью омывания жидкостью,

при этом внутри устройства расположен сквозной продольный промывочный канал и канал, который имеет герметичные вход и выход для подключения кабелей питания и связи, для расположения элементов для подсоединения кабелей питания и связи к блоку связи и управления, датчикам давления и температуре и системе для определения влагосодержания.

Достижение технического результата обеспечивается за счет взаимного расположения элементов устройства: секций и их габаритных размеров друг относительно друга и сквозного промывочного канала вдоль всего устройства, а также канала для расположения элементов для подсоединения кабелей питания и связи к блоку связи и управления, датчикам давления и температуре и системе для определения влагосодержания.

Все электронные контакты и схемы расположены в герметичной первой секции, к которой также обеспечивается подключение кабелей питания и связи через канал, для расположения элементов для подсоединения кабелей питания и связи к блоку связи и управления, датчикам давления и температуре и системе для определения влагосодержания. Данный канал имеет герметичные входы и выходы для подключения кабелей питания и связи (внешних). Через такие входы и выходы может быть подключено несколько скважинных датчиков последовательно для размещения возле нескольких портов ГРП. Что позволяет снимать показания о давлении, температуре и влагосодержании в районе каждого порта ГРП.

В устройстве может использоваться любая известная система для определения влагосодержания. Наиболее предпочтительно использовать систему, которая использует метод определения содержания воды в ГЖС путем определения скорости распространения электромагнитной волны в различных средах (электромагнитным методом). В таких системах используются монолитные металлические электроды, которые более устойчивы к давлению и температуре в скважине. Такие электроды известны для специалистов и могут быть выполнены в виде длинных монолитных цилиндров, что дополнительно повышает прочность устройства по сравнению, например, с оптическими системами определения влагосодержания, известными, например, из прототипа.

При использовании электродов для определения влагосодержания электромагнитным методом длина электродов составляет не более 50 см. При увеличении длины будет усложняться спуск устройства в скважину.

Также могут быть использованы оптические системы определения влагосодержания, которые известны в технике.

Датчики давления и температуры могут располагаться в любом месте внешней поверхности первой секции устройства с возможностью герметичного соединения электрических контактов с блоком управления, расположенного внутри первой секции устройства.

Длина каждой секции предпочтительно не превышает 120 см. Это позволяет обеспечить размещение всех электронных схем и системы для определения влагосодержания. При этом длина может определяться специалистом при изготовлении устройства в зависимости от использования в реальных скважинах и размера используемых электронных схем и применяемой системы определения влагосодержания.

В зависимости от целей применения диаметр устройства может определяться техническими требованиями для размещения устройства и размещения в нем блока управления, контактов для всех датчиков, а также для расположения кабельного канала и промывочного канала, что понятно специалисту. Диаметр устройства (первой секции) в одном из вариантов реализации не должен превышать 60 мм. Это позволяет обеспечить использование и спуски устройства в трубы с внутренним диаметром 72 мм. Это необходимо при использовании устройства для расположения в районе портов ГРП, т.к. внутренний диаметр самой малой муфты ГРП, использующиеся в скважинах, достигает 72 мм, а также расположить блок управления и связи и ее каналы. Так, для специалиста очевидно, что при использовании устройства для размещения в зоне портов ГРП с большим диаметром муфты ГРП – диаметр самого устройства может быть больше.

Диаметр сквозного проточного (промывочного) канала составляет не менее 15 мм. Это является достаточным для обеспечения циркуляции жидкости и позволяет использовать скважинный датчик для расположения в районе самой малой муфты ГРП. При увеличении общего диаметра устройства – диаметр сквозного канала также может быть увеличен. Диаметр канала для расположения элементов для подсоединения кабелей питания и связи к блоку связи и управления, датчикам давления и температуре и системе для определения влагосодержания предпочтительно не превышает 15 мм. Минимальный диаметр определяется используемыми кабелями питания и связи. Канал для расположения элементов для подсоединения кабелей питания и связи к блоку связи и управления, датчикам давления и температуре и системе для определения влагосодержания может быть выполнен сквозным целиком или иметь любую другую форму, которая будет обеспечивать соединение элементов с герметичными входом и выходом для подключения кабелей питания и связи.

Скважинный датчик может быть расположен в зоне порта ГРП, также может несколько таких устройств последовательно соединенных между собой кабелями, располагаться в зоне портов ГРП для сбора и передачи потоковых данных о давлении, температуре и процентном содержании воды в ГЖС с датчиков, располагаемых в зоне портов ГРП.

Заполнение внутреннего объема первой секции герметичным материалом и использование монолитных электродов позволяет повысить прочность устройства и возможность выдерживать давление на 500 атм, которое может достигаться в скважинах за счет исключения пустого пространства.

При возникновении осложнений при спускоподъемных операциях через промывочный канал прокачивается жидкость с поверхности на циркуляцию, что позволяет промыть пространство внутри скважины от загрязнений и обеспечить дальнейшее движение устройства. Также при использовании промывочного канала возможна закачка понизителя трения в составе промывочной жидкости, который используется при размещении устройств для геофизических исследований скважин.

Конструкция устройства позволяет использовать несколько последовательно соединенных устройств для размещения в скважине с многостадийным ГРП – в зоне каждого порта ГРП. При расположении нескольких устройств возле муфт ГРП на последнем устройстве находится локатор муфт в конце всей компановки и при спуске дает сигнал о прохождении муфты ГРП. Это проводится одноразово для операции позиционирования датчиков точно в районе муфт ГРП.

Устройство может спускаться в скважину любой из секций. Расположение секций относительно забоя скважины не принципиально. Необходимо только обеспечение корректного подключения кабелей связи и питания к устройству для обеспечения электропитания датчиков, подачи управляющих сигналов и получения информации с датчиков. Это обеспечивает снижение риска ошибки спуска устройства не той стороной, т.к. работоспособность устройства не зависит от расположения датчиков относительно забоя скважины.

Описание фигур

На фиг. 1 представлена общая схема скважинного устройства, где 1 – первая секция устройства, 2 – вторая секция устройства, 3 – электроды для определения влагосодержания электромагнитным методом, 4 – месторасположения датчиков температуры и давления, 5 – месторасположение промывочного канала (выходы не показаны), 6 – канал расположения кабелей питания и связи, 7 – вход и выход для подключения кабелей питания и связи.

На фиг. 2 представлена схема торца первой секции устройства (датчики давления и температуры не показаны), где 8 – место подключения кабелей питания и связи, 9 – отверстие сквозного промывочного канала.

На фиг. 3 представлена схема торца второй секции устройства, где 8 – место подключения кабелей питания и связи, 9 – отверстие сквозного промывочного канала, 10 – торцевой вид электродов для определения влагосодержания электромагнитным методом, 11 – место крепления электродов для определения влагосодержания электромагнитным методом.

Ниже представлен пример реализации – использования заявляемого устройства, который иллюстрирует наиболее предпочтительный вариант использования устройства, но не ограничивает варианты использования устройства в других скважинах, что является понятным для специалистов.

В качестве предпочтительного варианта реализации устройства были выбраны габаритные размеры, при которых оно может быть расположено в районе любого порта ГРП, в том числе для размещения устройства в трубах с внутренним диаметром 72 мм (в соответствии с размером внутреннего диаметра самой малой муфты ГРП). Для резьбовых соединений использовался фиксатор резьбы. Для сварочных соединений сварка осуществлялась по ГОСТ 28915-91.

В устройстве использовались монолитные металлические электроды для определения влагосодержания путем измерения скорости распространения электромагнитной волны в различных средах (электромагнитным методом). А именно электроды, аналогичные используемым в микроволновых поточных влагомерах МПВ700, МПВ700ВС.

Длина первой секции составляет 100 см, длина второй секции 100 см. Длина электродов 40 см. Диаметр канала для размещения кабелей составляет 14 мм. В нем расположены 2 кабеля питания, 2 кабеля связи. Диаметр промывочного канала составляет 15 мм.

Предпочтительные варианты габаритных размеров устройства указаны для устройства, которое может быть расположено в районе порта ГРП, т.к. является небольшим по габаритным размерам и при этом обеспечивает как прочность устройства, так и техническую возможность расположения системы для определения влагосодержания, блока управления и связи, а также датчиков для измерения давления и температуры.

К устройству подключаются кабели связи и питания. Устройство спускают на малогабаритных НКТ 33 мм, вдоль которых проходят кабели питания и связи, в скважину.

Питание работает сверху вниз, по кабелю связи передаются управляющие сигналы сверху (с поверхности) вниз (на устройство) на блок управления устройства, и снизу вверх данные, получаемые блоком управления с датчиков.

В скважине ГЖС омывает поверхность устройства, внешние датчики температуры и давления снимают показания. При омывании электродов скважинным флюидом в блок управления передаются данные с электродов.

При возникновении осложнений при спускоподъемных операциях через промывочный канал прокачивается жидкость с поверхности на циркуляцию. Промывка осуществляется по трубе НКТ 33 мм, которая пристыковывается к устройству. Промывочная жидкость проходит через устройство по промывочному каналу. Возможный объем прокачки составляет до 0,15 м³/мин, чего вполне достаточно для промывки пространства скважины. В таком канале нет штуцирования.

Заявляемая конструкция устройства позволяет обеспечить спуск устройства с датчиками в горизонтальную скважину любой стороной, не требует специальных направляющих или сложных конструктивных элементов, которые будут обеспечивать спуск и размещение в скважине, что упрощает устройство по сравнению с аналогами и при этом одновременно сохраняет его функциональность.

Наличие сквозного промывочного канала в устройстве одновременно обеспечивает возможность спуска и использования устройства в скважинах при наличии загрязнений, при этом дополнительно обеспечивает конструктивное объединение отдельных секций устройства, что приводит к повышению прочности устройства.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для измерения параметров потока флюида (нефть, вода, газ и их смеси), таких как температура, давление, влагосодержание (скважинным датчикам), и может быть использовано для анализа параметров в горизонтальных скважинах, в том числе скважинах с многостадийным гидроразрывом пласта (ГРП). Техническим результатом является упрощение конструкции устройства одновременно с повышением надежности работы датчиков и возможности использования устройства в загрязненных скважинах. Заявлено скважинное устройство для измерения давления, температуры и влагосодержания потока флюида, которое включает две секции, последовательно соединенные между собой. При этом геометрические размеры поперечного сечения второй секции не превышают диаметр первой секции. Первая секция представляет собой герметичную емкость, выполненную в форме трубы, внутри которой расположен блок связи и управления, и на внешней поверхности которой установлены по меньшей мере один датчик давления и один датчик температуры, соединенные с блоком связи и управления. При этом внутренняя полость секции заполнена герметичным материалом. Вторая секция включает систему для определения влагосодержания, которая соединена с блоком связи и управления и выполнена с возможностью омывания жидкостью. При этом внутри устройства расположен сквозной продольный промывочный канал и канал, который имеет герметичные вход и выход для расположения и подключения элементов соединения кабелей питания и связи к блоку связи и управления, датчикам давления и температуры и системе определения влагосодержания. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Скважинное устройство для измерения давления, температуры и влагосодержания потока флюида, которое включает две секции, последовательно соединенные между собой, при этом геометрические размеры поперечного сечения второй секции не превышают диаметр первой секции, первая секция представляет собой герметичную емкость, выполненную в форме трубы, внутри которой расположен блок связи и управления, и на внешней поверхности которой установлены по меньшей мере один датчик давления и один датчик температуры, соединенные с блоком связи и управления, при этом внутренняя полость секции заполнена герметичным материалом, вторая секция включает систему для определения влагосодержания, которая соединена с блоком связи и управления и выполнена с возможностью омывания жидкостью, при этом внутри устройства расположен сквозной продольный промывочный канал и канал, который имеет герметичные вход и выход для расположения и подключения элементов соединения кабелей питания и связи к блоку связи и управления, датчикам давления и температуры и системе определения влагосодержания.

2. Скважинное устройство для измерения давления, температуры и влагосодержания потока флюида по п.1, в котором система для определения влагосодержания представляет собой систему, которая использует метод определения содержания воды в ГЖС путем определения скорости распространения электромагнитной волны в различных средах.