ШЛАНГОКАБЕЛЬ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПО СКВАЖИНЕ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
UMBILICAL CABLE FOR CONTINUOUS MOVEMENT IN WELL AND METHOD OF ITS USE

Изобретение относится к области нефтепромысловой геофизики и может быть использовано при проведении геофизических исследований нефтяных и газовых скважин.
Основным сопротивлением при движении шлангокабеля по условно горизонтальному участку скважины является сила трения, возникающая в местах контакта шлангокабеля со стенками скважины, а также наличие препятствий (нелинейность скважины, скопление отходов бурения и прочее). Величина этой силы пропорциональна разности веса участка шлангокабеля и архимедовой силы, его выталкивающей.
Известен шлангокабель для непрерывного спуска и подъема долота при бурении скважин [1] с каналами для подачи промывочного раствора и электроэнергии к забою скважины, составленный из пучка металлических трубок, симметрично расположенных по сечению и электрически изолированных.
Наиболее близким к данному изобретению является шлангокабель для сбора и подъема нефтепродуктов из подводного месторождения [2], содержащий каналы для передачи нефтепродуктов и электроэнергии, расположенные внутри секций, которые частично заполнены пеной низкой плотности таким образом, что каждый канал внутри своей секции окружен пеной.
Особенностью такого устройства шлангокабеля является обладание существенным образом отрицательной или положительной нулевой плавучести.
Недостатком такого шлангокабеля является высокое сопротивление его продвижению в условно горизонтальной части скважины со стороны стенок последней из-за недостаточно точного соответствия нулевой плавучести в различных меняющихся средах, присутствующих в скважине.
Технической задачей, решаемой данным изобретением, является уменьшение сил сопротивления продвижению шлангокабеля в условно горизонтальном участке скважины, возникающих в местах контакта шлангокабеля со стенками скважины, а также понижение износа шлангокабеля и увеличение длины его продвижения. Осуществляется это решение за счет значительного уменьшения силы трения ввиду придания шлангокабелю существенным образом точной нулевой плавучести из-за расположенного в нем канала или каналов, с рабочим телом малой плотности (твердое тело, жидкость, газ или их комбинация), а также за счет изменения плавучести в положительную или отрицательную сторону, в зависимости от плотности среды, окружающей шлангокабель. Кроме того, изменение плавучести шлангокабеля позволяет ему с меньшим сопротивлением обходить препятствия (нелинейность скважины, скопление отходов бурения и прочее).
Целью изобретения является придание шлангокабелю точной нулевой плавучести и изменение ее при необходимости.
Рассмотрим силу трения, действующую на участок шлангокабеля, находящийся в горизонтальном участке скважины:
TP
APX
F=k·(Р-F).
Если шлангокабель обладает существенным образом нулевой плавучестью, значит
APX
APX
Р-P≈0 или P≈F.
Так как
APX
Ж
ШК,
F=ρ·g·V
ШК
ШК
P=ρ·g·V,
следовательно
Ж
ШК
ШК
ШК
Ж
ШК
ШК
ШК
ρ·g·V≈ρ·g·V или ρ·g·V≈ρ·V.
Шлангокабель является совокупностью рабочего тела и функциональных элементов с различным объемом и плотностью, поэтому
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>Ш</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>Ш</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>Р</mi><mi>Т</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>Р</mi><mi>Т</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>V</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>Ш</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>Ш</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>V</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>Ш</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Подставляем полученные выражения в предыдущее соотношение:
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>Ш</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>≈</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>Ш</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Сократив длину участка шлангокабеля и раскрыв скобки, получим:
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>≈</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>i</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><mi>S</mi><msub><mtext></mtext><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>≈</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Площадь канала(или каналов), содержащего рабочее тело, можно определить по следующей формуле:
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mo>.</mo><mi>T</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>≈</mo><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>Р</mi><mo>.</mo><mi>Т</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
ТР
где F - сила трения, возникающая между участком шлангокабеля и стенкой скважины, H;
k - коэффициент трения;
P - вес участка шлангокабеля, H;
APX
F - архимедова сила, действующая на участок шлангокабеля, H;
Ж
3
ρ - плотность жидкости, окружающей участок шлангокабеля, кг/м;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
ШК
3
V - объем участка шлангокабеля, м;
ШК
3
ρ - средняя плотность участка шлангокабеля, кг/м;
PT
3
V - объем, занимаемый рабочим телом в участке шлангокабеля, м;
РТ
3
ρ - плотность рабочего тела, кг/м;
i
3
V - объем, занимаемый i-м функциональным элементом в участке шлангокабеля, м;
i
3
ρ - плотность i-го функционального элемента шлангокабеля, кг/м;
ШК
3
l - длина участка шлангокабеля, м;
PT
2
S - площадь сечения участка шлангокабеля, занимаемого рабочим телом, м;
i
2
S - площадь сечения участка шлангокабеля, занимаемого i-м функциональным элементом, м;
i=1…n - условный номер функционального элемента.
Участок шлангокабеля - участок, имеющий по существу точную нулевую плавучесть.
Рабочее тело - тело с плотностью ниже, чем плотность жидкости, окружающей шлангокабель (твердое тело, жидкость, газ или их комбинация).
Жидкость, окружающая шлангокабель, - среда, в которой находится шлангокабель (нефтепродукты, буровая жидкость и т.п.).
Функциональный элемент - составляющая часть шлангокабеля, необходимая для изоляции, придания прочности, передачи различных сред (жидкостей, газов, электроэнергии, информации).
Изменение плавучести шлангокабеля достигается за счет наличия в шлангокабеле системы соединенных каналов, которые, по крайней мере, частично заполнены рабочими телами различной плотности. Причем плотности рабочих тел ниже плотности жидкости, окружающей шлангокабель. Для отсутствия диффузии рабочих тел между ними имеется поршень, который выполнен из эластичного материала, что обеспечивает постоянный контакт между стенкой канала и периферией поршня.
Количество рабочих тел и каналов, их содержащих, может быть различным. Количество каналов определяется исходя из площади сечения, требуемой в конкретном сечении для выбранного рабочего тела и площадей сечений функциональных элементов. Некоторые каналы могут быть глухими и постоянно заполнены рабочим телом одной плотности. Внутри каналов, содержащих рабочее тело, могут находиться функциональные элементы. Количество рабочих тел и поршней, их разделяющих, напрямую зависит от количества раздельных объемов сред, внутри которых перемещается шлангокабель.
На фиг.1 схематично изображен шлангокабель с двумя соединенными на конце каналами; на фиг.2 - шлангокабель с системой из пяти каналов (из которых четыре периферийных соединены с центральным); на фиг.3 - шлангокабель с системой из девяти каналов (из которых периферийные соединены попарно, а центральный - глухой).
1
2
Шлангокабель, согласно фиг.1, в основном состоит из следующих элементов: несущий нагрузку и заполняющий элемент 1; изоляционные элементы 2; элементы для передачи различных сред 3; более легкое рабочее тело плотности ρ 4; более тяжелое рабочее тело плотности ρ 5; эластичный поршень 6; сам шлангокабель, окруженный жидкостью 7.
Шлангокабель работает следующим образом.
При погружении в каналах заполняющего элемента 1 шлангокабеля находится более тяжелое рабочее тело 5 с плотностью, достаточной для придания шлангокабелю по существу нулевой плавучести, окруженное изолирующим элементом 2. При возникновении необходимости изменения плавучести шлангокабеля более тяжелое рабочее тело 5 посредством поршня 6 вытесняется более легким рабочим телом 4.
В случае использования шлангокабеля с глухими каналами последние могут быть постоянно заполнены твердым телом (например, пенопластом, парафином, полипропиленом) или комбинацией твердого тела и газа (например, мипора или пенополиуретан в сочетании с водородом, гелием, аммиаком или азотом).
Если функциональный элемент для передачи различных сред 3 расположен внутри канала, содержащего рабочее тело низкой плотности (4 или 5), то эластичный поршень 6 имеет тороидальную форму, а длина его хода ограничена вблизи места соединения каналов, как показано на фиг.3. В этом случае происходит частичная замена рабочего тела.
Реализация способа производится следующим образом.
Для доставки глубинного прибора в интервал исследования скважины используют комбинированный кабель, подающийся с лебедки, расположенной на наземном оборудовании. Верхняя часть этого кабеля состоит из геофизического кабеля, а нижняя - из кабеля переменной плавучести. Последний, в свою очередь, соединен с глубинным прибором, который доставляется в интервал исследований проталкиванием. Изначально каналы шлангокабеля переменной плавучести заполнены рабочим телом с плотностью, достаточной для придания шлангокабелю по существу нулевой плавучести. При необходимости повысить плавучесть кабеля в его соответствующие каналы закачивается рабочее тело соответственно более низкой плотности, чем у имеющегося. Последнее откачивается из соответствующих каналов. При необходимости понизить плавучесть кабеля выполняются действия, указанные выше, но откачивается рабочее тело с более низкой плотностью, а закачивается - с более высокой.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является значительное снижение сил сопротивления движению шлангокабеля, возникающей в местах его контакта со стенками скважины, а следовательно, снижение затрат на оборудование и энергообеспечение установок для исследования нефтяных и газовых скважин, а также понижение износа шлангокабеля и увеличение длины его продвижения в условно горизонтальной части скважины несмотря на изменение плотности окружающей жидкости и нелинейность скважины.
Литература
1. Патент СССР на изобретение №286881 / Шлангокабель для непрерывного спуска и подъема долота при бурении скважин / Гоглов А.Г. №646569/22-13. Заявл. 09.12.1959. Опубл. 19.11.1970.
2. Патент США на изобретение №4332509 / Riser pipe system for collecting and raising petroleum produced from an underwater deposit / Remi Reynard, Christian Atbe, Jean-Paul Aubert №158261. Заявл. 10.06.1980. Опубл. 01.06.1982.