СКВАЖИННЫЙ ТВЕРДОМЕР
WELL HARDNESS GAGE

Изобретение относится к горному делу, предназначено для определения твердости и может быть использовано для определения твердости обсадной колонны в скважине.
В процессе работы скважины возникает необходимость получения информации об остаточной прочности обсадных труб для оценки срока их дальнейшей эксплуатации. Между пределом прочности и твердостью материала существует известное соотношение. Возможность определения твердости обсадной трубы, непосредственно в скважине, помогает решить эту задачу. Из уровня техники известны устройства, с помощью которых можно определить в скважине твердость горной породы. Принцип определения твердости труб обсадной колонны и горной породы идентичен и основан на вдавливании индентора (шара, пуансона и т.п.) в поверхность испытуемого материала и измерении глубины его внедрения. В качестве аналога и прототипа выбраны устройства, определяющие твердость горной породы в скважине, близкие по совокупности признаков к заявляемому техническому решению.
Известен скважинный прочностномер (см. а.с. №899881, заявл. 11.01.80, кл. Е21В 49/00, опубл. 23.01.82, ОБ №3), включающий корпус, подпружиненный поршень с пуансоном, установленный в корпусе перпендикулярно его оси, регистрирующую аппаратуру и узел управления. В корпусе выполнено отверстие диаметром, обеспечивающим прохождение пуансона и ограничивающим ход подпружиненного поршня. Подпоршневая полость имеет связь с трубным пространством скважины через боковой канал в корпусе. Выход газа через указанный канал регулирует соленоидный клапан. Устройство включает несколько камер с зарядами, запальные устройства, обратные клапаны и канал, через который газ, образующийся при взрыве, поступает в подпоршневую полость, обеспечивая давление на пуансон.
Недостатками устройства является низкая эффективность работы, связанная с тем, что за один спускоподъем нельзя произвести многократно замеры твердости. Для создания давления необходимо произвести подрыв заряда, расположенного в камере устройства. Наличие в устройстве нескольких камер предполагает проведение нескольких замеров. Кроме того, наличие взрывчатых веществ является опасным для обслуживающего персонала.
Недостатком устройства является также низкая точность определения твердости вследствие отсутствия фиксации устройства в момент проведения измерения. Твердость определяется не по величине углубления пуансона, а по перемещению подпружиненного поршня, при этом не учитывается отклонение устройства от стенки.
В качестве прототипа выбран скважинный твердомер (см. а.с. №212586, заявл. 10.09.65, кл. G01N 3/00, опубл. 29.02.68, ОБ №9), включающий корпус с двумя отверстиями в верхней части для соединения с транспортирующим средством, подпружиненный поршень с шаром и гайку, ограничивающую ход поршня, установленные в корпусе перпендикулярно его оси, опорные средства, регистрирующую аппаратуру и узел управления. Опорными средствами служат два ребра корпуса. Регистрирующая аппаратура расположена на поверхности и связана с узлом замера деформации, находящимся в корпусе и представленным балочкой равного сопротивления с наклеенными на нее проволочными датчиками сопротивления. Устройство включает трубопровод, обеспечивающий подачу масла с поверхности в подпоршневую полость.
Недостатками устройства является низкая эффективность работы, обусловленная следующим: опорные средства выполнены неподвижными, что делает возможным заклинивание устройства при спускоподъеме; при замерах на больших глубинах потребуется большое количества масла, поскольку оно подается с устья. Подача масла с устья требует также установку в устройстве пружины большой упругости, так как под действием пружины осуществляется возврат поршня, для этого ей необходимо преодолеть гидростатическое давление столба масла от поверхности до места замера, а при рабочем нагружении для перемещения поршня необходимо создавать большое давление, что связано с потерей энергии.
Недостатком устройства является также низкая точность замера, связанная с определением твердости не по величине углубления шара, а по перемещению подпружиненного штока, значение которого определяют через датчики сопротивления, имеющие, как правило, большую погрешность. Кроме того, при проведении замеров горной породы низкой твердости произойдет углубление ребер устройства в породу, что скажется на углублении шара.
Техническим результатом является повышение эффективности работы устройства и точности определения твердости обсадной колонны в скважине.
Технический результат достигается скважинным твердомером, включающим корпус с двумя отверстиями в верхней части для соединения с транспортирующим средством, подпружиненный поршень с шаром и гайку, ограничивающую ход поршня, установленные в корпусе перпендикулярно его оси, опорные средства, регистрирующую аппаратуру и узел управления.
Новым является то, что устройство включает электродвигатель и щетку, установленные в нижней части корпуса. Нити щетки в нерабочем положении уложены вдоль нее, обеспечивая наружный диаметр щетки меньше наружного диаметра корпуса.
Устройство включает баллон со сжатым газом, расположенный на верхнем торце корпуса, в центре.
Корпус устройства имеет сквозное наклонное отверстие, выполненное от верхнего торца до боковой образующей, и центральное глухое отверстие, выполненное от верхнего торца и соединенное через боковой канал с трубным пространством обсадной колонны.
Опорные средства выполнены в виде трех подпружиненных поршней с ограничительными гайками, один из которых установлен в корпусе диаметрально противоположно поршню с шаром, а два других - диаметрально противоположно друг другу со смещением оси на 90° относительно оси поршня с шаром и ниже его по уровню. Все указанные поршни выполнены полыми и имеют связь с центральным глухим отверстием корпуса.
В центральном глухом отверстии корпуса ниже баллона со сжатым газом установлен редуктор, соединенный с одной стороны с баллоном со сжатым газом, а с другой стороны - с боковым каналом корпуса и внутренними полостями подпружиненных поршней через электроклапаны.
Регистрирующая аппаратура представлена видеокамерой, которая установлена в сквозном наклонном отверстии корпуса так, что ее ось пересекается с осью подпружиненного поршня с шаром в измеряемой точке на обсадной колонне.
Нами не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, включающих всю совокупность признаков изобретения, что позволяет сделать вывод о его соответствии условию новизны.
Нами не обнаружены источники патентной документации и научно-технической литературы, описывающие сведения о влиянии отличительных признаков устройства на достигаемый технический результат. Техническое решение явным образом не следует из уровня техники, т.е. соответствует условию изобретательский уровень.
На фиг.1 представлена конструкция устройства в продольном разрезе. На фиг.2 представлено поперечное сечение устройства по линии А-А фиг.1. На фиг.3 представлена схема узла управления.
Скважинный твердомер включает корпус 1 с двумя отверстиями 2 в верхней части для соединения с транспортирующим средством, подпружиненный поршень 3 с шаром и гайку 4, ограничивающую ход поршня, установленные в корпусе 1 перпендикулярно его оси (см. Фиг.1). Устройство включает опорные средства, выполненные в виде трех подпружиненных поршней 5, 6, 7 с ограничительными гайками. Один из них 5 установлен в корпусе диаметрально противоположно подпружиненному поршню 3 с шаром. Два других 6, 7 - диаметрально противоположно друг другу со смещением оси на 90° относительно оси подпружиненного поршня 3 с шаром и ниже его по уровню (см. Фиг.2). Все четыре подпружиненных поршня 3, 5, 6, 7 выполнены полыми.
Корпус 1 имеет центральное глухое отверстие 8, выполненное от верхнего торца и соединенное через боковой канал 9 с трубным пространством обсадной колонны. Подпружиненные поршни 5, 6, 7 и подпружиненный поршень 3 с шаром имеют связь с центральным глухим отверстием 8 корпуса 1. Устройство содержит баллон со сжатым газом 10, расположенный на верхнем торце корпуса 1, в центре. В центральном глухом отверстии 8 корпуса 1 ниже баллона со сжатым газом 10 установлен редуктор 11, соединенный с одной стороны с баллоном со сжатым газом 10, а с другой стороны - с боковым каналом 9 корпуса 1 и внутренними полостями подпружиненных поршней 3, 5, 6, 7 через электроклапаны 12, 13, 14.
Устройство включает электродвигатель 15 и щетку 16, установленные в нижней части корпуса 1. Нити щетки 16 в нерабочем положении уложены вдоль нее, обеспечивая наружный диаметр щетки 16 меньше наружного диаметра корпуса 1.
Корпус 1 имеет сквозное наклонное отверстие 17, выполненное от верхнего торца до боковой образующей. Устройство включает регистрирующую аппаратуру, представленную видеокамерой 18, которая установлена в сквозном наклонном отверстии 17 корпуса 1 так, что ее ось пересекается с осью подпружиненного поршня 3 с шаром в измеряемой точке на обсадной колонне.
Устройство включает узел управления, состоящий из источника постоянного тока 19, реле времени (РВ) и шести выключателей 20-25 (см. Фиг.3).
Работает скважинный твердомер следующим образом.
Твердость замеряют на различных интервалах обсадной колонны. В связи с тем, что колонна заполнена жидкостью и гидростатическое давление на различных интервалах разное, необходимо настроить редуктор на соответствующую величину давления, чтобы обеспечить работу устройства как на максимальной глубине, так и на вышележащих интервалах. Давление газа должно быть достаточным для создания усилия на подпружиненный поршень и превышение давления во внутритрубном пространстве, чтобы обеспечить стравливание газа.
Для присоединения устройства к канатам в отверстия 2 вставляют рым-болты. В исходном положении электроклапан 13 перекрывает боковой канал 9 корпуса 1 и обеспечивает связь редуктора с полостями подпружиненных поршней 5, 6, 7 и подпружиненного поршня 3 с шаром. Устройство на канате вместе с проводом электропитания опускают в колонну обсадных труб 26 и устанавливают с расположением щетки 16 напротив исследуемого участка. Выполнение опорных средств подвижными, т.е. в виде подпружиненных поршней, исходное положение которых не превышает наружного диаметра корпуса, исключает заклинивание устройства в процессе спускоподъема.
Выключателем 21 открывают электроклапан 12, сжатый газ из баллона 10 через редуктор 11, электроклапаны 13 и 14, попадая в полости подпружиненных поршней 5, 6, 7 и подпружиненного поршня 3 с шаром, перемещает их до упора с внутренней поверхностью обсадной колонны. Устройство оказывается зафиксированным от вращения. Конструктивное выполнение подпружиненных поршней 5, 6, 7 и подпружиненного поршня 3 с шаром полыми позволяет экономно расходовать сжатый газ, так как необходимо небольшое его количество для создания требуемого усилия. Вследствие чего относительно небольшой баллон 10 содержит запас газа, достаточный для многократного определения твердости по колонне за один спуск, что снижает трудозатраты, затраты электроэнергии и сроки проведения работ.
Выключателем 24 запускают электродвигатель (ЭД) 15, который вращает щетку 16. За счет действия центробежных сил нити щетки 16 распрямляются и, касаясь внутренней поверхности обсадной трубы 27, очищают ее от различных загрязнений. Останавливают электродвигатель 15, выключателем 21 закрывают электроклапан 12 и выключателем 22 переводят электроклапан 13 в положение, перекрывающее боковой канал 9 корпуса 1. При этом происходит стравливание давления из полостей подпружиненных поршней 5, 6, 7 и подпружиненного поршня 3 с шаром в трубное пространство. Под действием пружин указанные поршни возвращаются в исходное положение. Наличие в конструкции устройства трех опорных средств позволяет надежно зафиксировать его в необходимом положении. При выполнении операции очистки участка обсадной колонны четвертый подпружиненный поршень 3 с шаром, как было описано выше, тоже принимает участие в фиксации устройства. Проведение предварительно очистки испытуемого участка повышает точность формирования отпечатка, тем самым повышая точность определения твердости. Наличие в устройстве электродвигателя 15 с щеткой 16 исключает необходимость использовать специальное оборудование для очистки колонны и сокращает сроки проведения работ.
Выключателем 25 включают видеокамеру (ВК) 18 и опускают устройство на длину, равную расстоянию между подпружиненным поршнем 3 с шаром и щеткой 16. Этим обеспечивается совмещение оси подпружиненного поршня 3 с шаром с исследуемым участком обсадной колонны. Возможность наблюдения видеокамерой позволяет произвести точную установку устройства и оценить качество очистки. Эта возможность исключает необходимость очистки большого участка обсадной колонны, что экономит электроэнергию, снижает трудозатраты и сроки.
При удовлетворительном состоянии исследуемого участка обсадной колонны подают сжатый газ в полости подпружиненных поршней 5, 6, 7 и подпружиненного поршня 3 с шаром, как было описано выше. Одновременно выключателем 20 запускают реле времени (РВ). Происходит фиксация устройства подпружиненными поршнями 5, 6, 7 и углубление шара подпружиненного поршня 3 в обсадную трубу 26 с образованием в ее стенке отпечатка. Через установленный промежуток времени реле времени подает сигнал и происходит закрытие электроклапанов 12, 14, и открытие электроклапаном 13 бокового канала 9 корпуса 1. При этом подпружиненные поршни 6,7 удерживают устройство, предотвращая его смещение, а подпружиненный поршень 5 и подпружиненный поршень 3 с шаром возвращаются в исходное положение. Видеокамера 18 передает изображение отпечатка. По снимку определяют истинный размер отпечатка, учитывая расстояние от видеокамеры 18 до стенки обсадной трубы. Возможность получения изображения повышает точность определения твердости. Рассчитывают твердость материала обсадной трубы в месте отпечатка. Зная твердость, через известное соотношение можно определить прочность материала трубы и оценить возможность дальнейшей эксплуатации колонны.
После определения размера отпечатка выключателем 23 открывают электроклапан 14, сжатый газ стравливается через боковой канал 9 корпуса 1, и подпружиненные поршни 6, 7, возвращаясь в исходное положение, освобождают устройство от контакта с обсадной трубой 26. В таком положении устройство готово к дальнейшей работе.
Экономия сжатого газа, электроэнергии, снижение трудозатрат, сокращение сроков проведения работ, исключение необходимости использовать специальное оборудование для очистки колонны свидетельствуют об эффективности работы устройства. Возможность видеонаблюдения и получения снимков отпечатка, а также надежная фиксация устройства повышают качество определения твердости обсадной колонны в скважине.
Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности, так как является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо.