Устройство для гидродинамического каротажа скважин
DEVICE FOR HYDRODYNAMIC LOGGING OF WELLS

Заявляемое изобретение относится к горному делу и может быть использовано для гидродинамических исследований необсаженных скважин приборами на каротажном кабеле и на колтюбинге.
Известно техническое решение, описанное в авторском свидетельстве СССР на изобретение №15307767 "Устройство для гидродинамического каротажа скважин", МПК Е21В 49/00, приоритет от 4.02.1988 г., в котором описано устройство, содержащее корпус с герметизирующими и прижимными элементами и установленными в нем пробосборником, клапанами приема и сброса проб, пробоприемником, преобразователем давления и телескопическим поршнем, состоящим из дифференциальных поршней в цилиндрах с проходящим через них штоком, причем герметизирующий элемент выполнен с отверстием стока для пробы. В известном устройстве пробоприемники выполнены в цилиндрах телескопического поршня. Шток выполнен в виде подпружиненного относительно корпуса дифференциального поршня с возможностью взаимодействия с клапаном приема проб, соединенного с клапаном сброса проб, причем клапан сброса проб выполнен ножевого типа.
Описанное выше техническое решение не обеспечивает точности измерения, так как может выполнить только ограниченное количество замеров за одно погружение и не обеспечивает регулировки усилия прижатия.
Известен малогабаритный прибор гидродинамического каротажа многократного действия Multiphase Flow Measurement (MFT) фирмы Weatherford (www:weatherford.com), выполненный в виде двух герметичных блоков, разделенных многорычажной прижимной системой пантографного типа, с блоком питания, приводом прижимной системы, телескопическим каналом, соединяющим отверстие в герметизирующем элементе с камерой поршневого цилиндра, соединенной каналом с двумя датчиками давления разного класса точности и уравнивающим клапаном, камерой.
После прижатия герметизирующего элемента к стенке скважины, создание депрессии и отбор флюида из пласта производится насосом, что усложняет процесс гидродинамического возмущения пласта, делает его зависимым от производительности насоса.
Известно устройство для гидродинамического каротажа скважин (патент РФ 2675616, приоритет от 20.12.2018, МПК Е21В 49/08), выполненное в виде двух герметичных блоков, разделенных прижимной системой, выполненной в виде многозвенного рычажного механизма пантографного типа с герметизирующим элементом и каналом, при этом первый блок содержит блок питания, соединенный с приводом пробоприемника, с поршнем, размещенным в камере депрессии, которая соединена каналом с гидравлическим клапаном с цилиндром, внутри которого установлены поршни и разделительный поршень, предназначенный для изолирования полости цилиндра, пробоприемник, который соединен каналом с датчиком давления, блоком телеметрии и герметизирующим элементом. Другой блок содержит шток, связанный с поршнем, разделительный поршень, связанный каналом с поршнем, электромагнитный клапан, связанный каналами с поршнем, разделительным поршнем, а также связанный каналом с камерой сброса, реле давления, связанное каналами с электромагнитным клапаном и встроенным реверсивным клапаном, предназначенным для удержания давления в системе привода многозвенного рычажного механизма пантографного типа прижимной системы при отборе флюидов.
Данное устройство не позволяет осуществить контроль качества пробы и отобрать пробу пластового флюида для анализа на поверхности.
Наиболее близким по технической сущности с заявляемым является техническое решение, описанное в патенте РФ №2737594 на изобретение "Устройство для гидродинамического каротажа", приоритет от 03.04.2020 г., состоящее из двух блоков, прижимной системы, выполненной в виде многозвенного рычажного механизма с герметизирующим элементом и каналом, при этом первый блок содержит блок питания, соединенный с приводом пробоприемника, с поршнем, размещенным в камере депрессии, гидравлический клапан, пробоприемник с первым поршнем и кольцевым дифференциальным поршнем, приемная камера которого соединена каналами с датчиком давления и с отверстием стока герметизирующего элемента, а второй блок содержит механизм управления прижимной системой, содержащей шток, поршни, главный гидравлический канал с электромагнитным клапаном, соединенный другими каналами с балластной камерой (камерой сброса) и с реле давления, отличающееся тем, что в первом блоке гидропривод пробоприемника выполнен в виде поршневого гидроцилиндра двустороннего действия с односторонним штоком, соединенным с силовым штоком электромеханического привода и поршнем с рабочими площадями Sк, So, причем Sк меньше So, большая камера гидроцилиндра соединена основным гидравлическим каналом с клапаном двойного управления, выполненным, например, в виде подпружиненного поршня площадью S1, за клапаном основной гидравлический канал соединен с буферным гидроцилиндром с поршнем; малая камера гидроцилиндра двустороннего действия с рабочей площадью поршня Sк, частично заполненная гидравлической жидкостью, соединена каналом с малым гидравлическим цилиндром с поршнем площадью S1 меньшей, чем Sк, с обратной стороны поршень соединен с основным гидравлическим каналом и контактирует с толкателем упомянутого клапана; поршень упомянутого буферного гидроцилиндра контактирует со штоком, связанным с датчиком линейных перемещений, и соединен с первым поршнем пробоприемника, малая камера которого содержит не менее двух дополнительных кольцевых дифференциальных поршней, не контактирующих между собой и с первым поршнем, и сообщена со скважиной, а приемная камера соединена со стыковочным узлом первого блока, во втором блоке верхняя часть штока-толкателя механизма управления прижимной системы соединена с подвижным блоком прижимной системы, а его нижняя часть размещена в гидравлически изолированной камере и контактирует с поршнем, который соединен главным гидравлическим каналом с другим поршнем гидравлического привода прижимной системы, а электромагнитный клапан установлен в канале, соединяющем главный гидравлический канал с балластной камерой, при этом максимальный ход силового штока электромеханического привода второго блока меньше такового у первого блока.
Недостатком данного устройства является также отсутствие возможности контроля качества пробы и невозможность отбора пробы для анализа на поверхности.
Вышеперечисленные устройства для гидродинамического каротажа имеют существенный недостаток в оценке проницаемости пласта, вследствие того, что отбор флюида и замер изменения давления производится за один цикл. Поскольку гидростатическое давление в скважине всегда выше пластового давления, происходит глубокое проникновение бурового раствора в пласт, образующее зону проникновения с характеристиками, отличающимися от истинных физических характеристик пласта.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание устройства для гидродинамического каротажа скважин, обеспечивающего высокую точность определения гидродинамических и физических характеристик проницаемых пластов при расширении области его использования.
Согласно предлагаемому изобретению, в устройстве для гидродинамического каротажа скважин, выполненным в виде двух герметичных блоков, разделенных прижимной системой, выполненной в виде многозвенного рычажного механизма пантографного типа с герметизирующим элементом и каналом, при этом первый блок содержит блок телеметрии, блок питания, соединенный с приводом пробоприемника, жестко связанным со штоком поршня, размещенного в камере депрессии, надпоршневая полость которой соединена гидравлическим каналом с находящимися в подпоршневой полости упомянутой камеры депрессии поршнем, воздействующим на гидравлический клапан, разобщающий подпоршневую полость камеры депрессии с полостью буферного гидроцилиндра, внутри которого установлен поршень, который упирается в шток первого поршня, размещенного в цилиндре пробоприемника, подпоршневая полость которого соединена каналами с датчиком давления и герметизирующим элементом, в надпоршневой полости пробоприемника размещены кольцевые дифференциальные поршни, а второй блок содержит шток, находящийся в контакте с поршнем привода прижимной системы, разделительный поршень для разобщения гидравлической жидкости от скважиной жидкости, связанный каналом с поршнем привода прижимной системы, реле давления, электромагнитный клапан, связанный каналами с упомянутым поршнем и с камерой сброса, для обеспечения высокой точности определения гидродинамических и физических характеристик проницаемых слоев при расширения области использования устройства в первом блоке размещена отдельная камера для взятия пробы пластового флюида и извлечения пробы на поверхность, разобщенная с каналом пробоприемника с помощью электромагнитного клапана, измерительный блок, проточная внутренняя полость которого содержит влагомер, резистивиметр и датчик давления и связана с каналом пробоприемника, а через гидравлический клапан отбора пластового флюида с каналом упомянутого рычажного механизма прижимной системы и с герметизирующим элементом, и также связана через гидравлический клапан сброса пластового флюида со скважиной, при этом верхний кольцевой дифференциальный поршень пробоприемника выполнен сменным, расположен на штоке первого поршня пробоприемника и установлен внутри сменной втулки, надпоршневая полость пробоприемника заполнена гидравлической жидкостью, и в ней размещен разделительный поршень, предназначенный для для разобщения от скважиной жидкости и воздействия гидростатического давления скважины на упомянутую гидравлическую жидкость.
Кольцевая площадь дополнительного сменного дифференциального поршня и размеры сменной втулки, в которой располагается упомянутый поршень, выбираются в зависимости от пластового давления в скважине.
Для работы в условиях высокого скважинного давления расположенный в первом блоке шток поршня, размещенного в цилиндре камеры депрессии, выполнен двухступенчатым, нижняя ступень упомянутого штока связана каналом со скважиной. Кольцевая площадь нижней ступени упомянутого штока выполнена равной по площади тонкой части штока.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Фиг. 1 - общий вид устройства для гидродинамического каротажа скважин (в сборе).
Фиг 2а, б, в - фрагменты общего вида, иллюстрирующие принцип работы клапана на открытие камеры депрессии.
Фиг. 3а, б, в - фрагменты общего вида, иллюстрирующие работу устройства в процессе прокачки флюида и отбора пробы.
Фиг. 4а, б, в - диаграмма изменения давления в процессе отбора пробы, фиг 4а - при однократном отборе, фиг. 4б, 4в - при многократном отборе флюида в зависимости от вязкости бурового раствора и пластового флюида.
Предлагаемое устройство для гидродинамического каротажа скважин выполнено в виде двух герметичных блоков, с разобщением при транспортировке. Первый блок 1 (фиг. 1) содержит блок питания 2 с приводом 3 пробоприемника 17, жестко связанным со штоком поршня 4, размещенного в цилиндре камеры депрессии 15. Надпоршневая полость 9 соединена гидравлическим каналом 5 с поршнем 6, воздействующим на гидравлический клапан 7, разобщающим подпоршневую полость камеры депрессии 15 с полостью буферного гидроцилиндра, внутри которого установлен поршень 8, упирающийся в шток поршня 10, размещенного в двухступенчатом цилиндре (на фиг. 1 не показан) пробоприемника 17. Поршень 10 отделяет надпоршневую полость 16, заполненную гидравлической жидкостью, от подпоршневой полости пробоприемника 17.
В надпоршевой полости 16 расположены кольцевые дифференциальные поршни 11, 12 и разделительный поршень 14. Дифференциальный поршень 12 сменный, расположен на штоке поршня 10 и находится внутри сменной втулки 13. Для различных пластовых давлений можно менять кольцевую площадь поршня 12 и размеры втулки 13, тем самым регулировать скорость притока пластовой жидкости, которая будет отражаться на диаграмме восстановления давления (фиг. 4).
Пробоприемник 17 соединен каналом 18 с измерительным блоком 40. Во внутренней проточной области измерительного блока 40 размещены датчик давления 19, влагомер 20, резистивиметр 21, клапан сброса пластового флюида 22 и гидравлический клапан отбора пластового флюида 23. Внутренняя проточная область измерительного блока 40 через гидравлический клапан отбора пластового флюида 23 связана с каналом 39 рычажного механизма прижимной системы 37 и с герметизирующим элементом 38, а также через гидравлический клапан сброса пластового флюида 22 связана со скважиной.
Емкость для отбора пробы пластового флюида 24 расположена в первом блоке и разобщена с каналом пробоотборника 18 электромагнитным клапаном 25. В первом блоке также размещена система телеметрии 41, имеющая электрическую связь с датчиком давления, резистивиметром и влагомером, а также с регистратором, находящимся на поверхности.
Второй блок 26 разделен от первого блока 1 прижимной системой 37, выполненной в виде многозвенного рычажного механизма пантографного типа с герметизирующим элементом 38 и каналом 39.
Второй блок 26 содержит шток 27, находящийся в контакте с поршнем привода 28 прижимной системы 37, разделительный поршень 29, связанный каналом с поршнем 28, реле давления 33, электромагнитный клапан 30, связанный каналом 34 со штоком поршня 28 и встроенным реверсивным клапаном 32, а с другой стороны с камерой сброса 36, заполняемой гидравлической жидкостью, и подпружиненным поршнем 31. Реверсивный клапан 32, расположенный над штоком 35, предназначен для удержания давления в системе привода 42 многозвенного рычажного механизма прижимной системы 37 при отборе пластового флюида.
Для поршня 4, размещенного в цилиндре камеры депрессии 15, предусматривается подпор гидростатикой за счет канала 43 (фиг. 1). Для работы заявляемого устройства гидродинамического каротажа в условиях высокого гидростатического давления в скважине шток поршня 4 может быть выполнен двухступенчатым, нижняя ступень штока связана каналом 43 со скважиной. Кольцевая площадь нижней ступени штока 4 выполнена равной по площади тонкой части штока.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Устройство в собранном виде опускают в скважину на заданную глубину с включенными блоком телеметрии 41 и электромагнитными клапанами 24 и 30, при этом регистрируется увеличение скважинного гидростатического давления (фиг. 4а). По достижении заданной глубины включается привод 3 поршня 4 камеры депрессии 15 и привод 42 прижимной системы 37. Редукция приводов рассчитана таким образом, что раскрытие прижимной системы и прижатие герметизирующего элемента осуществляется с опережением до срабатывания клапанов 7 и 23, которые открывают доступ флюида в пробоприемник 17.
Для снятия нагрузки с привода 42 многозвенного рычажного механизма прижимной системы 37 гидростатическое давление скважины через разделительный поршень 29 подпирает поршень 28, который через шток 27 раскрывает многозвенный рычажный механизм прижимной системы 37.
Многозвенный рычажный механизм прижимной системы 37, раздвигаясь, прижимает герметизирующий элемент 38 к участку стенки скважины, изолируя пласт от скважины и сообщая его по каналу 39 через клапан отбора пластового флюида 23 и канал 18 с пробоприемником 17. Во время прижатия камера сброса 36 отсекается электромагнитным клапаном 30. Усилие прижатия регулируется с помощью реле давления 33, связанного с концевым переключателем. При достижении расчетного усилия прижатия двигатель привода отключается, что фиксируется оператором.
Одновременно с включением привода 42 многозвенного рычажного механизма прижимной системы 37 включается привод 3 камеры депрессии 15, перемещающий поршень 4 вверх. Поршень 4, перемещаясь, создает разряжение в камере депрессии 15, гидравлическая жидкость вытесняется через гидравлический канал 5 и давит на малый поршень 6 (фиг. 2б). При дальнейшем перемещении поршня 4 создается давление в канале 5 над поршнем 6, которое воздействует на клапан 7, открывая доступ для мгновенного перемещения гидравлической жидкости из буферного гидроцилиндра в камеру депрессии 15, что наглядно видно на фиг 2в. На поршень 8 через шток поршня 10 воздействуют силы пластового давления, тем самым создающие давление в камере расположения клапана 7 и удерживающие это давление. После открытия клапана 7 дальнейшее перемещение поршня 4 останавливает концевой переключатель, что фиксируется оператором.
1
2
Вследствие открытия клапана 7 давление в цилиндре над поршнем 8 и 10 падает, и в результате силы, действующие на поршни, оказываются разбалансированными, и поршни приходят в движение, при этом возникает гидродинамическое возмущение в пласте, вызывая из него приток флюида, который открывает клапан 23 (фиг. 3) и пластовый флюид поступает по каналу 18 в пробоприемник 17, перемещая вверх поршень 10 (фиг. 3а). Этот процесс фиксируется датчиком давления 19 и отражается на диаграмме восстановления давления Р по времени t (фиг 4.) временным промежутком (t-t).
2
3
5
6
3
пласт
При достижении кольцевого дифференциального поршня 11 поршень 10 останавливается, давление в пробоприемнике 17 возрастает и достигает порога страгивания (фиг. 4, ΔР). Поршни 10, 11 перемещаются, входят в контакт с поршнем 12 и останавливаются. Дальнейшее повышение давления в пробоприемнике 17 до ΔР приводит к продолжению движения поршней 10, 11 и 12, находящихся в контакте. При совместном перемещении поршней 10 и 11, 12 во временном промежутке (t-t) давление на стенке скважины будет сохраняться неизменным (ΔР). Дойдя до упора, поршни 10 и 11, 12 остановятся. С этого момента начинается фаза восстановления давления в возмущенной зоне пласта до величины пластового (Р.).
В процессе поступления пластового флюида регистрируются также свойства скважинного флюида влагомером 20 и резистивиметром 21, и с помощью блока телеметрии 41 информация передается на поверхность и записывается в регистрирующем устройстве.
Оператор отслеживает скорость притока пластового флюида по кривой восстановления давления, а также физические характеристики флюида по данным, поступающим от влагомера 20 и резистивиметра 21. Диаграмма изменения и роста давления по времени будет зависеть от коэффициента вязкости бурового раствора и пластовой жидкости (фиг. 4б и 4в).
По завершении процесса восстановления давления включается привод 3, перемещающий поршень 4 вниз, создающий давление под малым поршнем 6 в камере депрессии 15, возвращающий поршень 6 в исходное положение (при этом клапан 7 остается открытым) и вытесняющее гидравлическую жидкость в полость буферного гидроциландра, тем самым воздействуя на поршень 8 (фиг. 2 г), который упирается в шток поршня 10 пробоприемника 17. Поршень 10 создает давление в пробоприемнике 17, под воздействием которого открывается клапан 22 (фиг. 3б) и производится выброс скважинного флюида из пробоприемника 17 в скважину. За счет гидростатического давления скважины, воздействующего на разделительный поршень 14, дифференциальные поршни 11, 12 возвращаются в исходное положение, и прибор готов к следующему циклу работы.
Процесс отбора и сброса флюида может быть произведен неоднократно, чтобы убедиться в получении чистой пластовой жидкости, при этом прибор остается прижатым в точке отбора.
Так как процесс восстановления давления и качество поступающего в пробоприемник флюида контролируется оператором в процессе неоднократного отбора флюида по показаниям датчика давления 19, влагомера 21 и резистивиметра 22 до получения чистой пробы, по окончании процесса отбора оператором принимается решение о взятии пробы в одной из исследованных точек. В выбранной точке также производится прижатие прибора, и после получения установившегося притока производится отбор пробы пластового флюида в камеру 25, для чего открывается электромагнитный клапан 24 (фиг. 3в), производится заполнение камеры 25, при выравнивании давления клапан 24 закрывается.
Далее оператор отключает электромагнитный клапан 30, и рычаги прижимной системы 37 складываются за счет воздействия гидростатического давления скважины на торец штока 27 и поршень 28. На этом цикл работы полностью завершается.
При завершении процесса опробования на привод 42 многозвенного рычажного механизма прижимной системы 37 подают реверсивное питание, приводя шток 35 в исходное положение, при этом гидравлическая жидкость из камеры сброса 36 перетекает в канал 34.
В варианте с применением винтовой пары с высоким КПД во избежание падения давления в многозвенном рычажном механизме прижимной системы 37 предусмотрен реверсивный клапан 32, работающий следующим образом: при повышении давления в канале 34 клапан работает на подачу гидравлической жидкости, а при отключении электромагнитного клапана по завершению цикла работы на данной точке происходит падение давления, при этом клапан переключается, и при отводе штока 35 в исходное положение подпружиненным поршнем 31 вытесняется гидравлическая жидкость из камеры сброса 36 в полость цилиндра, в котором расположен шток 35.
Возможность выполнения неограниченного количества замеров за одно погружение с неоднократным отбором пластового флюида с контролем его качества в одной точке, оставаясь в стадии прижатия, обеспечивают высокую точность определения гидродинамических характеристик проницаемых слоев, а также высокую надежность и безопасность при эксплуатации, что расширяет область использования предлагаемого устройства и позволяет использовать его в широком диапазоне диаметров исследуемых скважин (100-260 мм).
Многократный отбор флюида в фиксированной точке с контролем физических характеристик и многократный сброс флюида обеспечивает промывку пор пласта в зоне проникновения бурового раствора и получение истинных характеристик проницаемости пласта. Кроме того устройство позволяет отобрать пробу пластового флюида для доставки и анализа ее на поверхности.
Заявляемое изобретение может быть изготовлено в условиях серийного производства освоенными технологическими методами с использованием существующих материалов и оборудования.
Габаритные размеры устройства: длина 4300-5000 мм, диаметр 72 мм и зависят от размера пробоприемника 17 и поршней 10, 11 и 12. Изменение соотношения площадей поршней 11 и 12 и величины их хода дает возможность устройству работать в условиях разного давления.
При оснащении прибора центраторами и подающим устройством, появляется возможность использование прибора в горизонтальных скважинах.