Глубинный пробоотборник Советский патент 1980 года по МПК E21B49/02 

1

Изобретение относится к исследованиям скважин, а именно к устройствам для взятия глубинных проб жидкости и растворенного в ней газа.

Известны глубинные пробоотборники, содержащие двухклапанную приемную камеру с клапанным замком и фиксирующим устройством, приводимым в движение механическим воздействием с поверхности земли (посылкой ударного груза, созданием инерционного толчка резкой остановкой пробоотборника, или обеспечением силовой нагрузки на специальное рычажное устройство, взаимодействующее со стыковым пазом труб)1.

Такие пробоотборники нашли щирокое практическое применение,так как конструкция их проста. Однако они не отвечают требованиям высокой точности отбора, потому что на больших глубинах из-за наклона скважины ударный груз, не достигнув пробоотборника часто останавливается, инерционный механизм может закрыть пробоотборник в результате случайных столкновений о стенку скважины, а при использовании силового механизма точка отбора пробы локализуется приближенно местоположением трубных стыков, лежащих выше глубины, с которой начинается подъем пробоотборника. Кроме того, эти пробоотборники не позволяют отобрать за один спускоподъем и несколько проб в одной точке

5 скважины.

Известен также глубинный пробоотборник, имеющий многосекционное исполнение, каждая секция которого содержит пробоотборную камеру с двумя клапанами для закрытия и отсекания глубинной пробы необ10 ходимого объема 2.

Данный пробоотборник позволяет отобрать сразу несколько глубинных проб на одном интервале скважины и за один спуско-подъем пробоотборника. Однако работа этого пробоотборника зависит от работы пластоиспытателя в комплекте с которым он используется, так как для открытия и закрытия клапанов используется усилие от штока пластоиспытателя, а для независимой работы он должен быть снабжен инди20 видуальиым приводом.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является электромагнитный глубинный пробоотборник, предназначенный для

отбора проб воды, нефти и газа в скважинах глубиной до 7000 метров и содержащий пробоотборную камеру, верхний подпружиненный клапан со штоком и упорной гайкой, с конусом, нижний подпружиненный клапан со штоком и замком, связывающим оба клапана, фиксирующий узел с двумя симметрично установленными защелками со стопором. Пробоотборник содержит также блок управления клапанным механизмом, снабженным тяговым электромагнитом втяжного типа с якорем, выполненным в виде подвижного сердечника, жестко соединенного с фиксирующим узлом 3.

Управление клапанным механизмом осуществляется импульсом электрического тока, посылаемого блоку управления с поверхности земли через кабель. С помощью этого пробоотборника можно осуществлять дистанционное управление отбором в любой заданной точке скважины. Кроме того, такой пробоотборник можно включить в единый комплекс наиболее прогрессивных электрон;ных глубинных приборов (таких, как мано;метры, термометры, уровнемеры и т. п.), позволяющих получать более точные исходные данные, на основе которых вырабатываются рекомендации по поиску, разведке и оптимальной разработке газовых и нефтяных месторождений.

Однако в таком пробоотборнике якорь выполнен в виде подвижного сердечника и жестко соединен со стопором, поэтому управление фиксирующим устройством осуществляется непосредственно силой притяжения якоря, величина которой с одной стороны в первом приближении пропорциональна величине наружного диаметра обмотки электромагнита, возведенной в шестую степень, а с другой стороны должна превыщать силу трения между стопором и защелками, определяемую жесткость возвратной пружины верхнего клапана.

Уменьшение поперечных размеров электромагнита, вызванное необходимостью отбора проб в скважинах, оборудованных трубами с малым внутренним диаметром, резко уменьшает силу воздействия якоря электромагнита на стопор. В этом случае управление клапанным механизмом требует уменьщения жесткости возвратной пружины верхнего клапана, а это в свою очередь ведет к снижению надежности управления, так как резко возрастает вероятность закрытия клапанов в результате случайных столкновений пробоотборника о стенку скважины в процессе спуска.

Вследствие жесткого соединения якоря со стопором часть усилия возвратной пружины верхнего клапана из-за некоторой асимметрии фиксирующего устройства прижимает якорь к внутренней стенке полости электромагнита. Поэтому тяговая сила электромагнита частично расходуется на преодоление трения якоря с внутренней стенкой полости, вследствие чего необходимо дополнительное уменьшение жесткости возвратной пружины, ведущее, как уже отмечалось выше, к снижению надежности работы механизма управления.

Кроме того, известный электромагнитный глубинный пробоотборник содержит одну приемную камеру и статистический контроль герметичности клапанных уплотнений и связанной с ней достоверности получаемой газонасыщенности проб, отобранных с его помощью, достигается выполнением нескольких спусков пробоотборника на заданную глубину скважины, что значительно увеличивает расходуемое на испытание скважины время.

Для повышения надежности работы пробоотборника, а также использования пробоотборника в многосекционном исполнении защелки выполнены в виде рычагов первого рода Т-образной формы с внутренни.ми выступами на концах, нижние из которых взаимодействуют с конусом упорной гайки, а верхние - со стопором, причем последний установлен с возможностью ударного взаимодействия с якорем для расфиксации защелок и фиксации ими якоря в верхнем положении.

Кроме того, якорь снабжен тягой с головкой, а стопор выполнен в виде втулки, установленной коаксиально с тягой якоря и имеющей цилиндрические проточки на внутренней поверхности под головку тяги и на внешней - под выступы рычагов.

Пробоотборник может быть снабжен

0 взаимодействующей с головкой тяги поперечной балкой, установленной между верхними плечами рычагов и покрытой сверху пластичным материалом. Для уменьшения рассеяния магнитного потока тяга якоря и взаимодействующий с ним стопор фиксирующего узла могут быть выполнены из немагнитного материала.

Для использования пробоотборника в многосекционном исполнении стопоры каждой ниже расположенной пробоотборной

д ка.меры могут быть выполнены в виде цилиндрической втулки со штоком, установленным с возможностью взаимодействия со штоком нижнего клапана вышерасположенной пробоотборной камеры.

5 Унифицированная конструкция фиксирующего устройства, рассчитанная на ударное воздействие как якоря, так и штока нижнего клапана предыдущей секции, предельно упрощает механизм управления клапанами и одновременно гарантирует высокую надежность его работы. Это позволяет якорю увеличить предварительно получаемое к моменту удара количество движения путем увеличения времени воздействия на него магнитного поля. В результате сила

5 удара якоря по стопору фиксирующего устройства, которая во много раз превышает тяговую силу электромагнита, мало зависит от последней, а следовательно и от геометрических размеров электромагнита. В этой связи представляется возможным как повысить надежность управления клапанами за счет увеличения жесткости возвратных пружин, так и уменьшить наружный диаметр пробоотборника до самых малых размеров с целью обеспечения ему надежной проходимости во всех скважинах с сохранением высокого качества работы механизма управления. На фиг. 1 изображен предлагаемый глубинный пробоотборник в двухсекционном исполнении (верхняя часть продольный разрез); на фиг. 2 и 3 показаны промежуточные части пробоотборника; на фиг. 4 дана нижняя часть пробоотборника. Пробоотборник содержит соединительную головку 1 с размещенными в ней контактами 2 и 3, через которые электрический ток от кабельного наконечника подается в обмотку тягового электромагнита 4. Электромагнит заключен в кожух 5, герметично соединенный с карманом 6, в полости которого находится якорь, состоящий из сердечника 7 и тяги 8. Корпус 9 фиксирующего устройства клапанного механизма верхней секции имеет выпускные окна 10 для выпуска потока жидкости, а также балку 11, покрытую пластичным слоем 12 (например, из свинца) и поддерживающую якорь в положении, заданном относительно стопора 13. Кожух 5, карман 6, тяга 8 и стопор 13 выполнены из немагнитной стали. Боковая поверхность стопора 13 сопряжена с верхними внутренними выступами защелок 14 и 15 фиксирующего устройства, представляющих собой рычаги первого рода Т-образной фор-мы, симметрично установленные на оси 16,перпендикулярной к оси симметрии пробоотборника. Нижние внутренние выступы защелок 14 и 15 сопряжены с конусом верхущки упорной гайки 17, навинченной на щток затвора 18 верхнего клапана, имеющего также корпус 19 и возвратную пружину 20. Сопряжение упорной гайки 17 с защелками 14 и 15 сжимает в полости корпуса 19 пружину 20 и поддерживает клапан в открытом состоянии. Затвор 18 шарнирно сочленен с иглой 21, управляющей клапанным замком верхней секции, состоящим из лепестков 22 и колпачка 23. Клапанный замок находится внутри приемной камеры верхней секции 24 и при помощи тяги 25 поддерживает в открытом состоянии нижний клапан секции, состоящий из корпуса 26, возвратной пружины 27 и затвора.28 с навинченной на его щток упорной гайкой 29, имеющей направляющее отверстие 30, центрирующее штырь стопора 31 фиксирующего устройства нижней секции. На боковых поверхностях стопоров 13 и 3 расположены наружные цилиндрические выступы, ограничивающие сверху и снизу величину свободного хода стопоров вдоль сопряженных с ними внутренних выступов защелок. Нижняя секция состыкована с верхней при помощи резьбового соединения корпуса своего фиксирующего устройства 32 с корпусом 26. Конструктивное выполнение нижней секции идентично верхней, за исключением того, что корпус 32, в отличие от корпуса 9, не имеет выпускных окон и поперечной балки. В нижней части пробоотборника находится наконечник 33 с входным отверстие.м 34 для жидкости и фильтром 35. Устройство работает следующим образом. При спуске пробоотборника внутреннее его пространство от входного отверстия 34 до выпускных окон 10 промывается встречным потоком жидкости. При достижег.ии намеченной глубины пробоотборник останавливают, затем через кабель посылают в электрическую обмотку 4 импульс тока. Под воздействием магнитного поля электромагнита на сердечник 7 якорь втягивается в полость кармана 6 и через некоторое время ударяет головкой тяги 8 по стопору 13. Удар выводит стопор 3 из сопряжения с защелками 14 и 15 и перемещает его в гфсстранство над ними. Перемещение стопора устраняет противодействие на упорную гайку 17, в результате чего она под действием возвратной пружкны 20 раздвигает нижние плечи защелок 14 и 15 и заходит своей верхушкой в пространство между ккли до тех пор, пока затвор 18 не закроет клапан. Вызванный перемещением гайки 17 поворот защелок 14 и 15 уменьшает расстояние между их верхними внутренними выступами и тем са.мым фиксирует якорь во втянутом в полость кармана 6 положении. Перемена местоположения якоря, вызванная действием магнитного поля и закрытием верхнего клапана верхней секции, изменяет индуктивность обмотки электромагнита, регистрируемую замером ее суммарного сопротивления переменному электрическому току. Переход затвора 18 в верхнее положение в .процессе закрытия клапана поднимает иглу 21 вверх и разъединяет клапанный замок верхней секции. В результате затвор 28 под действием пружины 27 закрывает нижний клапан секции. Когда в результаТ.е какого-то случайного процесса, например вследствие резкой остановки прибора или резкого толчка о стенку скважины, стопор 13 выходит из сопряжения с защелками 14 и 15, а якорь остается в прежнем положении, то верхний клапан верхней секции все же закрывается. Но в этом случае якорь не занимает устойчивое верхнее положение в процессе подачи кмпульса элекрического тока и не происходит увеличение индуктивности обмотки элекромагнита. Если в результате толчка якорь и стопор 13 переместились вверх, так что произошло

закрытие верхнего клапана верхней секции и фиксация якоря в верхнем положении, индуктивность обмотки электромагнита имеет максимальное значение еще до посылки импульса электрического тока.

Таким образом, если не происходит увеличение индуктивности обмотки электромагнита вследствие посылки импульса электрического тока, мы имеет дело с фактом преждевременного закрытия клапанов еще до достижения пробоотборником заданной глубины скважины.

В процессе закрытия нижнего клапана верхней секции щток затвора 28 наносит удар по щтырю стопора 31. Удар выводит головку стопора 31 из сопряжения с защелками фиксирующего устройства нижней секции и перемещает ее в верхнее межплечное пространство, ограниченное их внутренним вырезом. Дальнейший процесс закрытия нижней секции происходит аналогично верхней.

Использование настоящего глубинного пробоотборника обеспечивает в сравнении с известными устройствами повыщение достоверности отбираемых в скважине проб жидкости и растворенного газа, достигаемое одновременным отбором нескольких проб, позволяющим осуществить статистический контроль герметичности клапанных уплотнений дистанционным контролем закрытия клапанов, дающий возможность выявить факт преждевременного случайного их закрытия, а также повыщением надежности управления клапанным механизмом за счет реализации ударного принципа воздействия на фиксирующее устройство клапанного механизма.

Кроме того, предлагаемый пробоотборник позволяет увеличить производительность отбора в два раза при помощи увеличения скорости выполнения спуско-подъемных операций до 12 км/ч и одновременного отбора в заданной точке нескольких проб.

Конструкцией пробоотборника предусмотрено также улучщение условий техники безопасности его эксплуатации уменьшением рабочих объемов пробоотборных секций, снижающим энергосодержание растворенного в пробе газа.

Формула изобретения

1. Глубинный пробоотборник, содержащий пробоотборную камеру, верхний подпружиненный клапан со щтоком и упорной

гайкой с конусом, нижний подпружиненный клапан со щтоком и замком, связывающим оба клапана, фиксирующий узел с двумя симметрично установленныгли защелками со стопором и привод в виде электромагнита с якорем, отличающийся тем, что, с целью повыщения надежности работы, защелки выполнены в виде рычагов первого рода Т-образной формы с внутренними выступами на концах, нижние из которых взаимодействуют с конусом упорной гайки, а верхние - со стопором, причем последний установлен с воз.можностью ударного взаимодействия с якорем для расфиксаций защелок и фиксации ими якоря в верхнем положении.

2. Пробоотборник по п. 1, отличающийся

тем, что якорь снабжен тягой с головкой, а стопор выполнен в виде втулки, установленной коаксиально с тягой якоря и имеющей цилиндрические проточки на внутренней поверхности под головку тяги и на

8 внешней - под выступы рычагов.

3. Пробоотборник по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что для удержания якоря в заданном положении относительно стопора до воздействия на него магнитного поля, он снабжен взаимодействующей с головкой тя- ги поперечной балкой, установленной между верхними плечами рычагов и покрытой сверху пластичным материалом.

4.Пробоотборник по пп. 1-3, отличающийся тем, что, с целью уменьщения расеяQ ния магнитного потока, тяга якоря и взаимодействующий с ним стопор фиксирующего узла выполнены из немагнитного м.атериала.

5.Пробоотборник по пп. 1-4, отличающийся тем, что, с целью использования

5 пробоотборника в многосекционном исполнении, стопоры каждой ниже расположенной пробоотборной камеры выполнены в виде цилиндрической втулки со щтоком, установленным с возможностью взаимодействия со щтоком нижнего клапана выщерасположенной пробоотборной камеры.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Мамуна В. Н. и др. Глубинные пробоотборники и их применение. М., Гостоптех5 издат, 1961, с. 31-36.

2.Авторское свидетельство СССР № 56Э893, кл. Е 21 В 49/02, 1975.

3.Андрющенко Ю. Н. и др. Электромагнитный глубинный пробоотборник и опыт его применения. Экспресс информация ВНИИОЭНГ. Серия: нефтегазовая геология и геофизика, N° 11, 1976 (прототип).

12 15

/б

w

Ш&

-17

С

.1