СКВАЖИННОЕ УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАРОТАЖА ОБСАЖЕННОЙ СКВАЖИНЫ
DOWNHOLE DEVICE OF ELECTRICAL LOGGING OF CASED WELLS

Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважины и предназначено для определения удельного электрического сопротивления пластов горных пород, окружающих обсаженную металлической колонной скважину.
Известно устройство электрического каротажа обсаженных скважин (Патент РФ №2306582 от 21.11.2005). Оно состоит из пятиэлектродного зонда, выполненного в виде последовательно и равноудаленно расположенных вдоль оси скважины трех измерительных электродов и установленных за пределами измерительных симметрично относительно среднего измерительного электрода двух токовых, наземного источника тока для поочередной подачи электрического тока в токовые электроды и измерителей потенциала электрического поля, гидропривода, связанного через исполнительные механизмы с выдвижными рычажными самоскладывающимися центраторами, на которых размещены электроды в виде твердосплавных шипов с подпружиненными цилиндрическими направляющими. Электроды выполнены в виде конусного острия, внедряемого в обсадную колонну. В устройстве предусмотрен специальный предохранительный блок, срабатывающий от воздействия кабеля, предназначенный для складывания электродов при отказе гидропривода, когда электроды прижаты к обсадной колонне.
Недостатком устройства являются сложность конструкции исполнительных механизмов, невысокая надежность предохранительного устройства в случае отказа привода. Исполнительный механизм представляет собой сложную телескопическую систему из трех полых стаканов с размещенным в них сильфоном, в который подается давление от гидропривода. Телескопическая система хорошо воспринимает осевые нагрузки, но при поперечных высоких нагрузках из-за зазоров в сопрягаемых поверхностях цилиндров, которые имеют малую опорную базу, будет подклиниваться. В аварийной ситуации телескопическая система может испытывать с одной стороны натяжение кабеля в несколько тонн, с другой - вес прибора с весом утяжелителя. Внедрившиеся острия электродов тормозят движение зонда, а телескопическая система испытывает мощные изгибные нагрузки. Положение может осложниться наличием в скважинной жидкости твердых частиц - продуктов коррозии обсадной колонны, которые могут попадать в телескопическую систему и направляющие электрода. В результате вероятность оставления прибора в скважине высокая. Кроме того, для лучшего внедрения электрода в стенку скважины и обеспечения необходимого контакта предлагаемая система попеременной подачи и сброса давления гидропривода электродов не является эффективной и требует большого количества времени.
Известно устройство электрического каротажа обсаженных скважин (Патент РФ №2361245 от 19.02.2008). Оно состоит из корпуса; привода; зонда, содержащего три измерительных электрода, последовательно и равноудаленно расположенных вдоль оси скважины, и двух токовых электродов, установленных за их пределами симметрично относительно среднего измерительного электрода, электроды установлены на раскрывающихся рычажных центраторах, связанных с приводом через исполнительные механизмы и имеющих верхние и нижние рычаги, одни концы которых шарнирно соединены с общими осями; наземного источника тока для поочередной подачи электрического тока в токовые электроды; измерителей потенциала электрического поля среднего измерительного электрода, первой и второй разностей потенциалов электрического поля между крайними измерительными электродами. Привод снабжен вращающимся приводным валом, имеющим участки с винтовыми поверхностями, число которых равно числу исполнительных механизмов; электроды выполнены в виде твердосплавных одинаковых роликов, установленных с возможностью свободного вращения на общих осях рычагов центраторов; периферийные части роликов выполнены в виде острозаточенных кромок; вторые концы верхних рычагов шарнирно связаны с корпусом; каждый исполнительный механизм представляет собой связанную с винтовой частью вала винтовую втулку, ограниченную двумя буртами, на которой установлена обойма, упруго поджатая пружиной к верхнему бурту. Обойма шарнирно связана со вторыми концами нижних рычагов центраторов.
Недостатком устройства, взятого за прототип, являются его дороговизна, сложность конструкции и изготовления исполнительных механизмов, невысокая надежность предохранительного устройства в случае отказа привода. Кроме того, приводной винтовой вал подвержен воздействию скважинной жидкости, содержащей твердые частицы, которые увеличивают износ трущихся винтовых поверхностей и могут вызвать их заклинивание. В сильнозагрязненных и коррелированных скважинах даже применение зубчатых электродов не обеспечивает надежного контакта электрода с обсадной колонной.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является снижение стоимости, упрощение его конструкции, индивидуальный выход каждого электрода с сохранением усилия на него, удобство транспортировки и расширение технологических возможностей зонда.
Техническим результатом изобретения являются исключение резьбовых рабочих элементов, повышение надежности исполнительных механизмов, модульность скважинной части зонда, улучшение контакта электрода с обсадной колонной.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в скважинном устройстве электрического каротажа обсаженной скважины, состоящем из наземного источника тока, геофизического кабеля, корпуса, силового привода, зонда, содержащего электронные блоки и электроды скважинной части многоэлектродного зонда с твердосплавными заостренными вставками, которые имеют возможность прижиматься к стенке металлической колонны скважины, согласно изобретению силовой привод снабжен штоком, имеющим возможность совершать возвратно-поступательные действия; скважинная часть многоэлектродного зонда состоит из автономных блоков, состоящих, в свою очередь, из модулей, каждый из которых включает в себя электрод с твердосплавной заостренной вставкой на одном конце, который выполнен в виде подвижного подпружиненного штока, на другом конце которого установлен свободновращающийся рабочий ролик с канавкой под рабочий канат; рабочий канат кинематически связан со штоком силового привода; неподвижно установлены по обеим сторонам от рабочего ролика свободновращающиеся натяжные и направляющие ролики с канавками под рабочий канат.
Поставленная задача достигается также тем, что два однотипных модуля с установленными на каждом из них одним рабочим роликом, двумя натяжными и двумя направляющими роликами и соединенных друг с другом оппозитно и через которые проходит один рабочий канат, выполненный в форме кольца, образуют вместе автономный двухэлектродный блок.
Поставленная задача достигается также тем, что модуль, содержащий один электрод с рабочим роликом, один натяжной и один направляющий ролики, в котором один конец рабочего каната закреплен неподвижно, а другой кинематически связан со штоком силового привода, образуют вместе автономный одноэлектродный блок.
Поставленная задача достигается также тем, что в скважинном устройстве электрического каротажа обсаженной скважины установлены по крайней мере на его верхнем и нижнем концах центраторы, например, рычажные, рессорные или эластичные.
На фиг. 1 изображена схема верхнего одноэлектродного модуля устройства с коническим электродом в транспортном положении с переходом одного конца рабочего каната в смежный одноэлектродный модуль, а другого - на силовой модуль проходящего между модулем и крышкой устройства со сдвигом в сторону от центральной линии модуля. На фиг.2 изображена схема нижнего одноэлектродного модуля устройства с коническим электродом в транспортном положении с переходом одного конца рабочего каната в смежный одноэлектродный модуль, а другого - на силовой модуль проходящего между модулем и крышкой устройства со сдвигом в сторону от центральной линии модуля. На фиг. 1 и фиг. 2 изображены концы рабочего каната, которые расположены на одной стороне зонда. На фиг. 3 изображена схема верхнего одноэлектродного модуля устройства с коническим электродом в транспортном положении с переходом одного конца рабочего каната в смежный одноэлектродный модуль, а другого - на силовой модуль проходящего по центру между модулем и крышкой устройства. На фиг. 4 изображена схема нижнего одноэлектродного модуля устройства с коническим электродом в транспортном положении с переходом одного конца рабочего каната в смежный одноэлектродный модуль, а другого - на силовой модуль проходящего по центру между модулем и крышкой устройства. На фиг. 3 и фиг. 4 изображены концы рабочего каната, которые расположены на разных сторонах зонда ближе к модулю. На фиг. 5 изображено автономное двухэлектродное устройство с одним общим рабочим канатом (рабочий канат расположен на одной стороне зонда). На фиг. 6 изображено автономное двухэлектродное устройство с одним общим рабочим канатом (рабочий канат расположен по центру, но на разных сторонах зонда). На фиг. 7 изображена схема одноэлектродного модуля устройства с коническим электродом в рабочем положении. На фиг. 8 изображена схема одноэлектродного модуля устройства с электродом в виде твердосплавного заточенного вращающегося ролика в рабочем положении. На фиг. 9 показан силовой модуль с натяжителем для шестиэлектродного зонда, а на фиг. 10 - он же, но с поворотом на 90 градусов. На фиг. 11 изображены два варианта вставок для соединения одноэлектродных модулей и блоков друг с другом. На фиг. 12 изображен нижний конец зонда с отверстием для подвески дополнительного груза. На фиг. 13 изображена схема верхнего одноэлектродного модуля устройства с коническим электродом в транспортном положении с закрепленным одним концом рабочего каната, а другим - проходящим на силовой модуль по центру одноэлектродного модуля. На фиг. 14 изображена схема верхнего одноэлектродного модуля устройства с коническим электродом в транспортном положении с переходом одного конца рабочего каната в смежный одноэлектродный модуль, а другого - на силовой модуль проходящего по центру между модулем и крышкой устройства. На фиг. 15 изображена схема нижнего одноэлектродного модуля устройства с коническим электродом в транспортном положении с переходом одного конца рабочего каната в смежный одноэлектродный модуль, а другого - на силовой модуль проходящего по центру между модулем и крышкой устройства. На фиг. 15 и фиг. 14 изображены концы рабочего каната, которые расположены на разных сторонах зонда ближе к кожуху. На фиг. 16 показано поперечное сечение верхней части ближайшего модуля от силового модуля с пятиэлектродным и семиэлектродным вариантами изготовления скважинной части зонда и расположения рабочих канатов. На фиг. 17 показано поперечное сечение верхней части ближайшего модуля от силового модуля с шестиэлектродным и восьмиэлектродным вариантами изготовления скважинной части зонда и расположения рабочих канатов.
Скважинное устройство электрического каротажа обсаженных скважин в пятиэлектродном варианте состоит из двух автономных двухэлектродных блоков, каждый из которых состоит из двух оппозитно соединенных модулей М (фиг. 5) и одного модуля Z (фиг. 13), расположенного первым от силового блока. В шестиэлектродном варианте скважинное устройство электрического каротажа обсаженных скважин состоит из двух автономных двухэлектродных блоков, каждый из которых состоит из двух оппозитно соединенных модулей М (фиг. 5) и одного автономного двухэлектродного блока из двух оппозитно соединенных модулей Н (фиг. 6). В семиэлектродном варианте скважинное устройство электрического каротажа обсаженных скважин состоит из двух автономных двухэлектродных блоков, каждый из которых состоит из двух оппозитно соединенных модулей М (фиг. 5), одного автономного двухэлектродного блока из двух оппозитно соединенных модулей Н (фиг. 6) и одного модуля Z (фиг. 13), расположенного первым от силового блока. В восьмиэлектродном варианте скважинное устройство электрического каротажа обсаженных скважин состоит из двух автономных двухэлектродных блоков, каждый из которых состоит из двух оппозитно соединенных модулей М (фиг. 5), одного автономного двухэлектродного блока из двух оппозитно соединенных модулей Н (фиг. 6) и одного автономного двухэлектродного блока из двух оппозитно соединенных модулей Х (фиг. 14) В девятиэлектродном варианте скважинное устройство электрического каротажа обсаженных скважин состоит из двух автономных двухэлектродных блоков, каждый из которых состоит из двух оппозитно соединенных модулей М (фиг. 5), одного автономного двухэлектродного блока из двух оппозитно соединенных модулей Н (фиг. 6), одного автономного двухэлектродного блока из двух оппозитно соединенных модулей Х (фиг.) и одного модуля Z (фиг. 13), расположенного первым от силового блока. Независимо от количества электродов в скважинной части зонда собранные в одну линейку модули и блоки представляют из себя скважинную деку зонда. Модуль М (фиг. 1 и 2) состоит из двух частей Е и К, соединенных вместе по плоскости оси зонда, например, при помощи болтов (не показаны). Модуль Н (фиг. 3 и 4) состоит из двух частей Р и Т, соединенных вместе по плоскости оси зонда, например, при помощи болтов (не показаны). Модуль Х (фиг. 15 и 14) состоит из двух частей R и S, соединенных вместе по плоскости оси зонда, например, при помощи болтов (не показаны). Модуль Z (фиг. 13) состоит из двух частей V и W, соединенных вместе по плоскости оси зонда, например, при помощи болтов (не показаны). В каждом модуле М, Н и Х находится шток 1 с твердосплавным конусным электродом 2 на выходящем наружу конце штока 1 (фиг.1). На другом конце штока 1 на подвижной платформе 3 установлен свободновращающийся рабочий ролик 4. Шток 1 находится в направляющей 5. Между подвижной платформой 3 и направляющей 5 установлена возвратная пружина 6. В плоскости свободновращающегося рабочего ролика 4, симметрично штоку 1, по его сторонам, установлены свободновращающийся натяжной ролик 7 и свободновращающийся натяжной ролик 8. Для расположения рабочих канатов 9 в расчетных местах на модулях М, Н и Х установлены направляющие ролики 10, плоскость вращения каждого имеет свой расчетный угол наклона Ω к центральной плоскости модуля в зависимости от расположения рабочих канатов 9. Все ролики 4, 7, 8 и 10 имеют с наружной стороны канавки под рабочий канат 9 и расположены таким образом, чтобы передавать максимальное усилие натяжения рабочего каната 9 на шток 1. В варианте, когда вместо твердосплавных конусов 2 установлены вращающиеся твердосплавные, заостренные по наружной окружности, колеса 12 (фиг. 8), каждый шток 1 находится в направляющей втулке 14, имеющей паз 28 под колеса 12. Если диаметр колеса 12 меньше диаметра штока 1, то наличие паза 28 под колесо 12 в направляющей втулке 14 не является необходимой. Силовая секция 15 соединена (фиг. 9 и 10) своим верхним концом к геофизическому кабелю 16, а нижним концом к верхнему концу верхнего модуля зонда. Силовая секция 15 может быть исполнена в виде электромеханического привода, электросоленоида и т.д. Силовая секция 15, находящаяся в корпусе 13, имеет подвижный силовой шток 19 с приспособлением 17, к которому присоединены рабочие канаты 9, через демпферные пружины 18. В силовой секции 15 находится возвратная пружина силового штока 19 (не показана). Для обеспечения необходимого контакта в сильнозагрязненных и коррелированных скважинах на соленоид может подаваться расчетное скачкообразное напряжение для обеспечения импульсного силового воздействия на электроды с расчетной амплитудой и частотой. Рабочий канат 9 может быть в виде кольца, имеющего определенный размер, или изготавливаться из определенного размера отрезка каната и соединяться, например, хомутом или торцевым сплетением. Устройство защищено секционными кожухами 11, которые могут устанавливаться на модули, например, при помощи винтов (не показаны). Рабочие ролики 4, натяжные ролики 7 и 8 и направляющие ролики 10 расположены так, чтобы при натяжении рабочих канатов 9 создавать максимальные усилия на шток 1, но не создавая при этом друг другу помех. Кроме того, демпферные пружины 18 помогают устранить дисбаланс при неодинаковой степени выхода штоков 1 в рабочем положении зонда. Устройство проводит измерения в обсаженной скважине 20, заполненной скважинной жидкостью 21. Для установки между электродами определенных расстояний между модулями М, Н и Х может быть установлен переходной модуль 22 (фиг. 11) расчетного размера в двух различных вариантах А и В. При необходимости подвески дополнительного груза на зонд на самый низ собранного зонда может быть установлен грузовой модуль 23 с отверстием 24 для подвески груза (фиг. 12). Для придания жесткости всей скважинной деки зонда модульная схема зонда может собираться на продольных направляющих (штанги, балки и т.д.). В устройстве электрического каротажа обсаженных скважин для осуществления замеров необходимо иметь минимально пять электродов. В шестиэлектродном варианте в случае отказа одного из электродов путем запрограммированного переключения можно заменить отказавший электрод на имеющийся в запасе шестой электрод. Для работы в варианте с нечетным количеством электродов на скважинной деке зонда между комплексом из блоков с парными электродами и силовой секцией устанавливается одноэлектродный модуль Z, представляющий из себя автономный одноэлектродный блок, состоящий из двух частей V и W, соединенных вместе по плоскости оси зонда, например, при помощи болтов (не показаны), в которых установлены рабочий ролик 4, натяжной ролик 8 и направляющий ролик 10. Рабочий канат 25 с расчетной длиной, проходя через них, закрепляется одним концом в якорном устройстве 26, а другим концом, пройдя через центральное отверстие 27 в модуле Z, присоединяется через пружину 18 к приспособлению 17 силового штока 19.
Скважинное устройство электрического каротажа обсаженных скважин работает следующим образом. Рассмотрим его шестиэлектродный вариант (пять рабочих электродов и один запасной). После спуска устройства в обсаженную скважину 20 в транспортном положении и его установки на заданной глубине включается силовой привод 15 и подвижный силовой шток 19, двигаясь в осевом направлении вверх, начинает натягивать рабочие канаты 9, которые передают усилия через систему роликов 4, 8, 9 и 10 на шток 1, которые, в свою очередь, выдвигаясь из направляющих 5, доходят до внутренней стенки обсадной колонны скважины 20 и внедряются в нее острой кромкой ролика 12 или острием конуса 2. После достижения расчетного усилия на шток 1 и появления электрического контакта производится замер параметров. При отсутствии контакта какого-нибудь электрода производится дополнительный натяг рабочих канатов 9 для более глубокого внедрения роликов 12 или конусов 2 в обсадную колонну 20. После осуществления замеров подвижный силовой шток 19 возвращается в исходное положение, натяжение рабочих канатов 9 ослабевает, усилие сжатых возвратных пружин 6 втягивает шток 1 в модули. Освобожденное устройство свободно передвигается внутри обсадной колонны 20 до места следующего замера. При проведении замеров можно втягивать шток 1 не до транспортного положения, а только до прекращения касания роликом 12 или конусом 2 обсадной колонны 20 и передвижки устройства на небольшое расстояние до точки следующего замера, особенно при наличии центраторов, которые будут удерживать устройство приблизительно на осевой линии скважины. При применении устройства электрического каротажа обсаженных скважин с количеством электродов более пяти в случае невозможности установления электрического контакта какого-нибудь электрода путем соответствующего переключения на дополнительный электрод и корректировки электрической схемы замера можно без дополнительной переустановки устройства в скважине произвести замер. Это поможет сократить общее время каротажа и износ оборудования. В случае недостаточности усилия развиваемого силовым блоком для внедрения электродов в обсадную колонну можно на один силовой блок устанавливать только такое количество электродных блоков, которое обеспечит их гарантированную работоспособность, и применять в скважинной части многоэлектродного зонда каскад таких комбинированных блоков. В этом случае на силовых блоках необходимо иметь конструкционные элементы, аналогичные для соединения модулей, для их стыковки с соседними комбинированными блоками. Как вариант можно использовать два силовых блока, установленных на концах скважинного девятиэлектродного зонда, с использованием центрального, пятого, электрода как общего для верхней и нижней пятиэлектродных секций. В тяжелых случаях можно на каждый электродный блок устанавливать свой индивидуальный силовой блок. С целью лучшего прорезания корродированного слоя обсадной колонны кромка электрода может быть выполнена зубчатой формы (в виде звездочек). В случае отключения электричества, обрыва кабеля или другой нештатной ситуации возвратная пружина (не показана) возвращает подвижный силовой шток 19 в исходное положение, канаты 9 ослабевают, и возвратные пружины 6 возвращают шток 1 в транспортное положение. Наличие роликов 12, расположенных вдоль устройства, позволяет катить устройство внутри обсадной колонны даже при отказе аварийной автоматики или проводить каротаж непрерывно в процессе подъема устройства. Конусы 2 применяются при сильно корродированной внутренней поверхности обсадной колонны, когда ролики 12 не могут обеспечить надежный контакт с металлическим телом обсадной колонны. Скважинная дека зонда необходимых конфигурации и количества электродов собирается из нескольких модулей или автономных блоков, что позволяет обеспечить легкую сборку и разборку скважинной деки зонда непосредственно на скважине, а также его удобную транспортировку.
Изобретение позволяет при более простой конструкции устройства снизить стоимость устройства и производимых работ и расширить качественные и количественные возможности электрического каротажа, что дает повышение скорости проведения исследования скважин, снижение трудовых и материальных затрат.