Двигатель для скважинных геофизических приборов Советский патент 1984 года по МПК E21B47/00 

Изобретение относится к промысло во-геофизическим исследованиям скважин и предназначено для доставки геофизических приборов на забой наклонно направленньпс и горизонталь ных скважин. Известно устройство для транспор тирования грузов в скважине, содержащее корпус, внутри которого расположены стопорно-разжимные механиэ мы с приводами и опорными элементам и средство реверса хода lJ . Недостатком устройства является сложность конструкции ввиду наличия редукторов, винтовой передачи, а также наличие ограничений по условиям применения приводного элек рического двигатели. Известно устройство для транспор тировки приборов в скважине, содержащ шток с зубчатой частью, жестко свя занный с транспортируемым прибором, герметично насаженный на него подвижный корпус, силовой механизм с. ведущими шестернями, находящимися в зацеплении с зубчатой частью штока, стопорный механизм и механизм реверса. На противоположных концах штока выполнены утолщения, диаметр которых больше наружного диаметра корпуса 2 . К недостаткам относится сложност устройства, вызваннай наличием меха нического редуктора, зубчатого зацепления, что обусловливает высокую трудоемкость его изготовления, а также ограничения, накладываемые на применение приводного злектродви гателя. Известен двигатель для скважинны геофизических приборов, принцип раб ты которого основан на свойствах ра ширения жидкости при ее нагревании. Он содержит корпус, внутри которого расположены поршневая и нагреватель ная камеры, заполненные рабочим агентом, нагревательные элементы, шток с поршнем, жестко связанный с исполнительным органом, и механизм реверса. Работа происходит за счет теплового расширения жидкости в нагревательной камере после включения нагревательного элемента в ней. Жидкость, расширяясь, перемещается в поршневую камеру и перемещает поршень, связанный с исполнительным механизмом. Дпя устранения влияния температуры окружающей среды перио4272дически включается управляемый клапан и часть жидкости стравливается из поршневой камеры в буферную емкость. Обратное перемещение повшня осуществляется возвратной пружиной при отключенном нагревательном элементе И включении управляемого клапана, при этом жидкость из поршневой камеры перемещается в буферную .емкЬсть з . К недостаткам известного двигателя относятся малая эффективность продвижения исполнительного органа, обусловленная малыми значениями объемного коэффициента теплового расширения применяемых жидкостей высокая тепловая инерция жидкостей, требующая достаточного времени на ее требует дополнительного времени на совершение рабочего цикла, сложность конструкции, обусловленная наличием устройств для устранения влияния температуры скважины на расширение жидкости в нагревательной и поршневой камерах, введением дополнительно буферной емкости, обратных и управляемых клапанов, ведущих к снижению надежности работы устройства. Цель изобретения - повышение надежности и быстродействия работы двигателя. Указанная цель достигается тем, что в двигателе для скважинных геофизических приборов, содержащем корпус, внутри которого расположены поршневая и нагревательная камеры, заполненные рабочим агентом, нагревательные элементы, шток с поршнем, жестко соединенньш с исполнительным органом, и механизм реверса, в корпусе по другую сторону поршневой камеры соосно с ней выполнена дополнительная нагревательная камера, причем в качестве рабочего агента использован инертный газ, например аргон, предварительно сжатый до давления, соизмеримого по величине с гидростатическим давлением в исследуемой скважине, а нагревательные элементы камер установлены с возможностью их переменного включения и выключения механизмом реверса при нахождении поршня в крайних положениях. Кроме того, корпус двигателя снабжен стопорным механизмом. Использование в качестве рабочего агента инертного газа, сжатого до. определенного давления, упрощает конструкцию и повышает ее надежност так как исключает применение буферной емкости и системы клапанов для устранения теплового расширения жидкости под действием температуры в скважине. Наличие двух нагревательных камер, разделенных поршнево камерой, позволит скомпенсировать тепловое расширение, а значит, и давление в камерах при нахождении прибора в скважине. Наличие в камерах газа под давлением, соизмеримым с гидростатическим давлением жидкости в скважине, уменьшает пере пад давления на уплотнения штока в камере, что повътает надежность работы устройства. Так как теплоемкость газов в несколько раз ниже теплоемкости жидкостей, то на нагре вание одинаковых объемов требуется различное количество теплоты (для газов меньше), что снижает энергозатраты предлагаемогодвигателя. Обусловленная этим различная тепловая инерция обеспечивает быстродействие работы данного устройства. Ввиду большого коэффициента объемного расширения газов при нагревании по сравнению с жидкостями и возможностью нагрева их до 400-500 обеспечивается ход штока порядка 0,5-0,8 м и создается равномерность хода устройства. Предлагаемый двигатель может быть применен в геофизических приборах, где требуется создать упррвляемое перемещение исполнительных органов, например, в механизме упр ления пакером скважинных дебитомеро расходомеров, при управлении прижим ными башмаками скважинных радиометров, каверномеров-профилемеров. Но особенно эффективно его применение в качестве двигателя при транспорти ровке геофизических приборов в гори зонтальных и наклонно направленных скважинах ввиду возможности обеспечения автоматизации циклов переме щения, большого хода и значительных (500-700 кгс) усилий на штоке , На чертеже изображен предлагаемы двигатель, общий вид. Двигатель состоит из подвижного корпуса 1 и жестко связанного с транспортируемым прибором 2 штока Шток 3 выполнен с возможностью перемещения внутри корпуса 1, герм 4274 тичность при этом обеспечивается уплотнительными кольцами 4. Внутри корпуса размещены две нагревательные камеры а и 6 , разделенные поршневой камерой В. В месте расположения поршневой камеры шток снабжен поршнем 5, способным герметично перемещаться вдоль поршневой камеры 6 благодаря уплотнению 6. Внутри нагревательных камер 0 и 6 расположены нагревательные элементы соответственно 7 и 8, питание которых осуществляется посредством геофизического кабеля. Механизмы реверса двигателя выполнены в виде концевых выключателей 9 и 10, установленных соответственно на торцовых поверхностях Г и U поршневой камеры. Срабатывание концевых выключате,лей происходит от соприкосновения их с торца14И поршня 5. Включение нагревательных элементов обеспечивает их попеременное включение при нахождении поршня в крайних положениях. Внутри камер находится под да влением инертный газ 11, например аргон, причем давление газа близко к давлению жидкости в скважине. Заполнение камер газом производится через зарядные штуцеры . 12 и 13. Стопорный механизм выполнен в видеопорных рычагов 14, шар нирно укрепленнь х на корпусе. Раскрытие и дальнейшее прижатие их к стенке скважины 15 осуществляется пластинчатьми пружинами 16. Механизм уборки опорных рычагов выполнен с виде электромагнита, которьй срабатыванием от сигнала с наземного пульта возвращает их в исходное (убранное) положение. Наличие утолщенного конусообразного участка 17 на штоке уменьшает лобовое сопро тивление его и повышает проходимость. Устройство работает следующт-ообразом. При достижении интервала- скважины, где прибор не может перемещаться под действием собственного веса и веса кабеля, с пульта управления подается сигнал для раскрытия опорных . рычагов двигателя, поршень двигателя в этот момент занимает положение, показанное на чертеже. Затем подается сигнал на включение нагревательного элемента .верхней камеры а. При этом за счет нагревания сжатого газа в камере происходит его изотермическое расширение, при котором совершается работа по перемещению поршня и связанного с ним транспортируемог прибора 2 вниз. Движению подвиж-ного корпуса 1 р обратном направлении препятствует сцепление опорных рычагов двигателя со стенкой скважины. Теоретически перемещение порш ня будет происходить прерывно, по мере нагревания увеличивающегося объема газа. Но ввиду низкой теплоемкости газа нагрев его и расширен е происходят практически мгновенно в процессе его расширения так что двигатель обеспечивает непр рывное движение поршня с прибором. Перемещение поршня вниз п| оисходит до тех пор, пока он не упрется вторцовую поверхность и не сработает концевой выключатель 10. При этом прекращается подача питания на нагревательный элемент 7 и включается нагревательньп элемент 8 нижне камеры S . За счет отвода тепла из нагревательной камеры, ся в скважину через стенку двигателя и нагревасжатого газа в камере б происходит его изотермическое расширение иj так как вес корпуса 1 неизмеримо меньше веса транспортируемого прибора с кабелем, корпус перемещается вниз при неподвижном штоке. Перемещение происходит до тех пор, пока торец не упрется в поршень: происходит срабатывание выключателе 9, обеспечивание питания нагревательного элемента 8 и подача питани на нагревательный элемент 7. Повторяется вшеописанный цикл работы двигателя. Для подъема прибора из скважины подается сигнал на отключе ние питания нагревательных элементо и уборку опорных рычагов, прибор вместе с двигателем беспрепятственн извлекают из скважины посредством геофизического кабеля. На основании уравнения состояния идеального газа Т где.Р,, V , Т, и Р,, , Vj, Т - давление,объеми температура идеального газа соответственно в состоянии 1 и 2. Состояние 1 соответствует состоянию газа в начальный момент,состояние 2 состояние газа в нагревательной и поршневой камерах прн нахождении поршня в одном из крайних положений. При равенстве объемов нагревательных и поршневой камер и учитывая, что при движении поршня вниз давление в камере S возрастает согласно закону Бойля-Мариотта, для преодоления полезного сопротивления на штоке 350-400 кгс при начальном 80 кг/см, давлении в скважине Р и Т 293 .К, необходимо создать температуру в камере а 350400 С. Для обеспечения средней скорЬсти каротажа, равной 0,5 м/с, энергозатраты двигателя составят 1-1,5 кВт. Такую мощность реально можно передать по геофизическому кабелю. Предлагаемый двигатель обладает следующими преимуществами: высокой производительностью доставки геофизической аппаратуры в наклонные скважины, обусловленной наличием специального двигателя для его транспортирования, отсутствием ограничений на габариты транспортируемого прибора. Эти преимущества позволяют за счет экономии средств по содержанию бурового оборудования, его амортизации и оплаты труда буровой бригады получить экономический эффект не енее 250 рублей на одно исследоание скважины.

1. ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ СКВАЖННЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ, содержащий корпус, внутри которого расположены поршневая и нагревательная камеры. SU,,., 1084427 А