ПРОФИЛЕМЕР-КАВЕРНОМЕР
GEOMETRY TOOL-CALLIPER

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин, а именно к комплексным средствам для изучения технического состояния обсадных колонн и насосно-компрессорных труб и измерения профиля необсаженных нефтегазовых скважин методами профилеметрии и кавернометрии приборами с бесконтактными датчиками перемещений.
Известен профилемер, предназначенный для отслеживания неровностей стенки скважины при перемещении по ней измерительного рычага (А.с. СССР №1288290, E21B 47/08, 1987 г.), в котором на концах шарнирно соединенных с корпусом измерительных рычагов установлены постоянные магниты, а для преобразования перемещения измерительного рычага в электрический сигнал применяется феррозондовый магнитометр. То есть постоянные магниты являются индикатором положения раскрытия рычагов, а феррозондовый магнитометр является преобразователем текущего положения постоянных магнитов в электрический сигнал. Бесконтактное измерение величины механического перемещения выдвижных рычагов обеспечивает надежность конструкции профилемера.
Недостатком данного профилемера является сравнительно сложный тип преобразователя (феррозондового магнитометра) механического перемещения рычагов в электрический сигнал, а также необходимость использования данного профилемера как отдельного модуля со своим датчиком, что увеличивает длину комплексного прибора.
Известен профилемер-дефектоскоп для исследования технического состояния обсадных колонн и НКТ нефтегазовых скважин (патент РФ №2440439, E21B 47/08, 2001 г.), в котором профилемер совмещен с центратором, на выдвижных рычагах которого установлены постоянные магниты. Внутри корпуса центратора, выполненного из немагнитного материала, установлен датчик Холла, измеряющий суммарную магнитную индукцию поля постоянных магнитов. Причем постоянные магниты установлены в середине диаметрально противоположных рычагов таким образом, что в сложенном положении центратора оси постоянных магнитов перпендикулярны продольной оси устройства, а ось наибольшей чувствительности датчика Холла находится в одной плоскости с осями магнитов. Датчик Холла электрически связан с электронной системой дефектоскопа, обеспечивающего прием и обработку сигналов от датчика Холла и передачу их на поверхность.
Известное устройство обеспечивает комплексное изучение технического состояния колонн в широком диапазоне изменения внутреннего диаметра, а также скважин с НКТ, имеет простую конструкцию и малые габариты.
К недостатку следует отнести низкую точность измерений, поскольку описанная система характеризуется сильной нелинейностью магнитного поля в зависимости от расстояния между магнитом и датчиком магнитного поля. Кроме того, под влиянием температуры в скважине происходит размагничивание постоянных магнитов, свою погрешность вносит влияние намагниченности обсадной колонны на магнитное поле постоянных магнитов. Показания датчика магнитного поля зависят также от перемещения внутри скважины или НКТ в загрязненной скважинной среде - попадание в указанное пространство вместе с транспортируемой средой железосодержащего мусора делает невозможным выполнение корректных измерений.
Известен комплексный прибор профилемер-дефектоскоп DDS73F-EMD (каталог ОАО «ВНИИГИС». //www.vniigis.bashnet.ru), в котором применяются мостовые бесконтактные индукционные датчики механического перемещения выдвижных рычагов.
Известный прибор обеспечивает высокую надежность и точность измерений. Однако область его применения ограничена слабой чувствительностью преобразователя, в связи с чем он может применяться только в скважинах с внутренним диаметром не более 120 мм и не может использоваться для обследования действующих добывающих и нагнетающих скважин, а также скважин, оснащенных НКТ.
Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности и точности измерений, упрощение конструкции и повышение ее надежности, расширение области применения устройства.
Поставленная задача решается следующим образом.
Профилемер-каверномер, содержащий удлиненный корпус, стыковочную головку в верхней части корпуса для соединения с геофизическим кабелем, многорычажную систему шарнирно - раздвижных двуплечих измерительных рычагов в нижней части корпуса, выдвижные рычаги которой контактируют с исследуемой поверхностью в плоскости поперечного сечения корпуса, размещенную в корпусе регистрационную систему с электронным преобразователем регистрируемой информации и измерительные датчики по количеству рычагов, каждый из которых установлен на верхнем плече соответствующего измерительного рычага, согласно изобретению дополнительно оснащен датчиком конечных положений раскрытия и закрытия рычагов, выполненным в виде подвижного штока, установленного в корпусе с возможностью свободного перемещения по продольной оси устройства и оснащенного постоянным магнитом, и двух датчиков Холла, установленных в конечных точках интервала перемещений штока с постоянным магнитом, а измерительный датчик выполнен в виде ультразвукового излучателя-приемника и как минимум двухступенчатого отражателя, закрепленного на соответствующем измерительном рычаге и не связанного механически с ультразвуковым излучателем-приемником.
Предложенное техническое решение имеет следующие преимущества по сравнению с известными устройствами:
- линейное перемещение измерительных рычагов рычажной системы рассчитывается с учетом скорости ультразвука, излученного и отраженного от отражателя на рычаге, при этом
- обеспечивается повышение точности определения измеренного параметра за счет учета скорости ультразвука в скважинной жидкости (независимо от ее температуры и давления);
- обеспечивается снижение затрат на изготовление устройства за счет снижения требований к точности обработки контактирующих поверхностей, точности их сопряжения и упрощения эксплуатации устройства;
- для измерения перемещения отражателей акустических датчиков применяется цифровая электронная схема измерений, не подверженная влиянию температуры окружающей среды;
- предложенная конструкция  профилемера-каверномера за счет малых габаритов и высокой точности измерений обеспечивает возможность измерения внутренних перемещений как больших, так и малых диаметров;
- оснащение профилемера-каверномера датчиком конечных положений раскрытия и закрытия рычагов на основе датчиков Холла повышает надежность конструкции по сравнению с известными устройствами, где для управления рычажной системой применяются механические микропереключатели;
- конструкция профилемера-каверномера с измерительными датчиками в виде ультразвуковых излучателей-приемников с отражателями в совокупности с датчиком конечных положений раскрытия и закрытия рычагов имеет высокую технологичность сборки и надежность при эксплуатации, поскольку имеет меньшее количество механически связанных узлов и деталей по сравнению с известными устройствами.
Для практической реализации предложенного технического решения не требуется специальных материалов и оборудования, при этом затраты на его производство снижаются за счет снижения требований к точности обработки контактирующих поверхностей, точности их сопряжения и упрощения эксплуатации.
На основании изложенного считаем, что заявленная совокупность отличительных признаков предложенного технического решения соответствует критериям изобретения «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».
На фиг.1 показан вариант конструкции профилемера-каверномера.
На фиг.2 показан вариант конструкция акустического измерительного датчика профилемера-каверномера
На фиг.3 показан вариант конструкции датчика конечных положений рычажной системы.
На фиг.4 показан сравнительной график записи измерений профилемером - каверномером предложенной конструкции и серийно выпускаемым каверномером.
Профилемер-каверномер содержит корпус 1, стыковочную головку 2 в верхней части корпуса 1 для соединения с геофизическим кабелем, многорычажную систему двуплечих выдвижных рычагов 3 в нижней части корпуса 1, у которой верхние плечи размещены внутри корпуса 1 и связаны с механизмом 4 раскрытия-закрытия системы выдвижных рычагов 3, электронную регистрационную систему 5 преобразования получаемой информации, акустические измерительные датчики 6 и датчик конечных положений 7 системы выдвижных рычагов 3. Датчик конечных положений 7 содержит шток 8, установленный в корпусе 1 с возможностью свободного перемещения по продольной оси устройства, постоянный магнит 9, закрепленный на штоке 8, и датчики Холла 10 и 11, установленные в корпусе 1 в конечных точках интервала перемещений штока 8 с магнитом 9. Каждый рычаг системы выдвижных рычагов 3 оснащен акустическим измерительным датчиком 6 в виде пьезокерамического преобразователя 12, установленного в корпусе 1, и ступенчатого отражателя 13, закрепленного на верхнем плече соответствующего рычага. При этом преобразователь 12 и отражатель 13 механически не связаны между собой.
В процессе работы на скважине по достижении интервала исследований устройством по геофизическому кабелю на двигатель механизма 4 раскрытия системы выдвижных рычагов 3 подается напряжение определенной полярности. Происходит раскрытие выдвижных рычагов 3 в плоскости поперечного сечения корпуса. Верхние плечи выдвижных рычагов 3 опускаются, опирающийся на них шток 8 с магнитом 9 под действием собственного веса также опускается вниз. Когда постоянный магнит 9 перемещается в крайнее нижнее положение, срабатывает датчик Холла 10, отключая двигатель механизма 4 раскрытия. В процессе перемещения профилемера-каверномера по скважине выдвижные рычаги 3 контактируют с исследуемой поверхностью. Линейное перемещение каждого из выдвижных рычагов 3 передается к верхнему плечу, оснащенному отражателем 13, и отслеживается соответствующим ему преобразователем 12, а именно в процессе перемещения выдвижного рычага 3 соответствующим ему пьезокерамическим преобразователем 12 с заданной частотой непрерывно излучаются на отражатель 13 короткие ультразвуковые импульсы. За счет ступенчатой формы отражателя 13 формируются два отраженных акустических импульса с временами прихода отраженных сигналов Т1 и Т2 соответственно, которые поступают на преобразователь 12. По значениям T1, Т2 и известному расстоянию L (L-расстояние между отражающими поверхностями - ступенями) величина перемещения отражателя 13 (а соответственно, и выдвижного рычага 3, на котором отражатель 13 установлен) определяется как:
S=L*Т1/(Т2-Т1) мм,
где S - величина перемещения выдвижного рычага (отражателя 12).
Полученные данные с цифровой электронной схемы измерения - контроллеров акустических измерительных датчиков 6 поступают в электронную регистрационную систему 5 преобразования получаемой информации и сохраняются в ней или по геофизическому кабелю передаются на поверхность (в зависимости от поставленной задачи исследований).
Измерение перемещения отражателей 13 акустических преобразователей в предложенной конструкции осуществляется цифровой электронной схемой измерения - контроллером. Подсчет времени пробега T1, Т2 излученного-отраженного импульса осуществляется заполнением электронного счетчика контроллера принимаемыми таковыми импульсами с периодом заполнения 0,01 мкс (с частотой 100МГц). Зная скорость распространения акустического сигнала в исследуемой жидкости, можно легко просчитать погрешность проводимых измерений, при этом температура окружающей среды не оказывает влияния на результат измерений (как у известных устройств).
По окончании измерений по управляющему сигналу по геофизическому кабелю на двигатель механизма 4 раскрытия рычажной системы 3 подается напряжение противоположной полярности. Система выдвижных рычагов 3 начинает складываться. Верхние плечи выдвижных рычагов 3 поднимаются максимально вверх, продвигая шток 7 с магнитом 8 к датчику Холла 11. Когда магнит 9 перемещается в крайнее верхнее положение, срабатывает датчик Холла 11, отключая двигатель механизма 4 раскрытия-закрытия системы выдвижных рычагов 3. Профиллемер-каверномер извлекается на поверхность.
На фиг.4 приведены сравнительные графики записи показаний, произведенных серийно выпускаемым 4-х рычажным профилемером ПФ73-2 (г. Уфа, ОАО НПФ «Геофизика») и 6-ти рычажным профилемером-каверномером предложенной конструкции на одной и той же скважине при прочих равных условиях. Как видно по диаграмме - графики практически совпадают, то есть предложенный профилемер-каверномер обеспечивает достаточно высокую чувствительность и точность измерений при более простой и экономичной конструкции и обеспечивает при этом возможность его использования для обследования действующих добывающих и нагнетающих, а также необсаженных скважин.