УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДОСТАВКИ ПРИБОРА В ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ УЧАСТОК СКВАЖИНЫ
DEVICE FOR TRANSPORTING TOOLS TO HORIZONTAL WELLBORE

Изобретение относится к области исследований в скважинах и может быть использовано для доставки измерительных приборов в интервалы исследований, расположенные в горизонтальных участках большой протяженности.
Известно устройство для доставки геофизических приборов в горизонтальную скважину, содержащее груз, выполненный с возможностью нанизывания на геофизический кабель трубчатых секций с замковыми элементами на концах (см. патент RU №2054539, МПК Е21В 47/01, опубл. 20.02.1996). Данное устройство обладает жесткостью, обеспечиваемой нанизанными на кабель секциями груза, и одновременно гибкостью, достаточной для продвижения приборов в искривленную часть скважины. Доставка грузов осуществляется по горизонтальному стволу длиной 200 м. Однако наличие замковых элементов при всей их простоте и мобильности в целом усложняет конструкцию устройства, увеличивает затраты времени на сборку и разборку устройства, увеличивает риск поломки и, тем самым, снижает надежность доставки приборов в интервал исследований.
Известен технологический комплекс для исследования горизонтальных и наклонных скважин с доставкой комплексного каротажного прибора в интервал исследований (см. патент RU №2242034, МПК G01V 11/00, опубл. 10.12.2004). Технологический комплекс, выбранный в качестве прототипа, содержит геофизический кабель, прибор, закрепленный на конце геофизического кабеля, и движитель, закрепленный на геофизическом кабеле и выполненный из двух участков: верхнего, на котором монтируется съемный утяжелитель, выполненный из набора грузов, и нижнего, содержащего постоянный утяжелитель и облегченную часть. Данный комплекс сложен конструктивно и также не решает задачу доставки приборов к забоям скважин с длинами горизонтальных участков 1000 м и более, поскольку продвижение прибора происходит за счет его толкания геофизическим кабелем. При длинах же геофизического кабеля, соизмеримых с горизонтальными участками значительной протяженности, возникает вероятность потери осевой устойчивости кабеля, вследствие чего возможно изгибание кабеля и его заклинивание в скважине.
Задачей изобретения является создание устройства для доставки приборов в горизонтальные участки большой протяженности, не имеющего недостатков аналогов.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предложенного изобретения, является увеличение протяженности (глубины) доставки прибора до 1000 м и более в горизонтальные участки скважин, простота конструкции, снижение трения о стенки трубы, повышение надежности, уменьшение аварийности.
Указанный технический результат достигается использованием совокупности существенных признаков, общих с признаками прототипа, таких как:
- закрепление прибора на нижнем конце геофизического кабеля,
- размещение на геофизическом кабеле движителя, выполненного из набора грузов;
и отличительных от прототипа признаков, таких как:
- выполнение геофизического кабеля с диаметром, минимально возможным из условия его прочности на разрыв;
- выполнение каждого из грузов движителя с осевым отверстием из условия их свободного перемещения относительно оси геофизического кабеля;
- выполнение каждого из грузов движителя в виде элемента сферической формы с диаметром, максимально возможным из условия свободной проходимости в скважине.
В частных случаях устройство может иметь следующие отличительные признаки:
- грузы движителя выполнены в виде шаров, эллипсоидов или коротких цилиндров со сферическими торцами;
- грузы движителя, размещенные на нижнем участке геофизического кабеля, выполнены из материала с меньшим удельным весом относительно грузов, размещенных на верхнем участке геофизического кабеля;
- грузы движителя, размещенные на нижнем участке геофизического кабеля, выполнены с диаметром, меньшим диаметра грузов, размещенных на верхнем участке геофизического кабеля.
На достижение технического результата существенные признаки предложенного изобретения влияют следующим образом.
Выполнение геофизического кабеля с диаметром, минимально возможным из условия его прочности на разрыв, обеспечивает уменьшение выталкивающей силы, действующей в скважинных условиях на площадь сечения кабеля в месте его соединения с прибором. Между значением выталкивающей силы и площадью сечения кабеля имеется прямая квадратичная зависимость, согласно которой чем меньше диаметр кабеля, тем квадратично меньше величина выталкивающей силы и, соответственно, на эту величину будет больше величина заталкивающей силы грузов, воздействующей на контактную заднюю часть прибора, и пропорционально этой возросшей силе будет больше длина прохода прибора с кабелем в горизонтальный участок скважины.
Выполнение каждого из грузов движителя с осевым отверстием из условия свободного перемещения грузов относительно геофизического кабеля способствует существенному увеличению протяженности проходки прибора вглубь горизонтального участка скважины. Это достигается за счет того, что:
- через упор нижнего груза непосредственно в прибор движитель толкает прибор вдоль горизонтального участка скважины под действием массы набора грузов, расположенного на вертикальном участке скважины;
- кабель освобождается от функции движителя и не толкает прибор, а напротив, прибор, перемещаемый под действием грузов движителя, тянет за собой кабель. Тем самым кабель разгружается и исключается проблема изгибания кабеля и его заклинивания в скважине;
- достигнуто предельно простое, происходящее в скважине автоматически разделение функций движителя, когда на вертикальном участке скважины набор грузов, размещенных на вертикально расположенном участке геофизического кабеля, выполняет функцию утяжеления, а в точке упора нижнего груза в торец прибора - функцию толкания.
Выполнение грузов движителя в виде элементов сферической формы (шаров, эллипсоидов или коротких цилиндров со сферическими торцами) обеспечивает:
- высокую степень гибкости конструкции, что дает возможность проходки участков скважин большой искривленности;
- уменьшение трения на горизонтальном участке скважины за счет минимизации площади касания грузов с внутренней стенкой скважины;
- наиболее простую, надежную и работоспособную конструкцию движителя;
- удобство наматывания устройства на барабан на устье скважины.
Выполнение грузов движителя с диаметром, максимально возможным для беспрепятственной работы в скважине, обеспечивает увеличение силы воздействия на прибор для продвижения его вдоль горизонтального участка.
Выполнение грузов, размещенных на нижнем участке геофизического кабеля, из материала с меньшим удельным весом относительно грузов, размещенных на верхнем участке геофизического кабеля, обеспечивает:
- усиление воздействия массы вертикального участка устройства на массу его горизонтального участка;
- снижение трения движителя о стенки скважины на ее горизонтальном участке.
Выполнение грузов, размещенных на нижнем участке геофизического кабеля, с диаметром, меньшим диаметра грузов, размещенных на верхнем участке геофизического кабеля, обеспечивает:
- улучшение проходимости по скважине из-за небольшого диаметра грузов;
- уменьшение массы грузов и, как следствие, снижение их трения о стенки скважины и улучшение проходимости.
Таким образом, предложенное устройство высокоэффективно реализует свое назначение и обеспечивает указанный технический результат.
Предложенное устройство показано на чертежах, где на фиг.1 представлена схема доставки прибора в горизонтальный участок скважины; на фиг.2 - вид А на фиг.1.
Устройство (фиг.1) содержит геофизический кабель 1, на нижнем конце которого закреплен исследовательский прибор 2. На кабеле 1 размещен движитель, выполненный из набора грузов 3, которые могут быть выполнены в виде шаров, эллипсоидов или коротких цилиндров со сферическими торцами. Между кабелем 1 и каждым из грузов 3 (фиг.2) имеется зазор 4, достаточный для обеспечения возможности свободного осевого перемещения грузов 3 относительно оси кабеля 1.
Доставка прибора в горизонтальный участок скважины с помощью предложенного устройства осуществляется следующим образом.
в
2
2
2
Перед проведением исследований предварительно для каждого профиля ствола скважины рассчитывают диаметры геофизического кабеля 1 и грузов 3, весовые и линейные соотношения грузов 3, размещаемых на верхнем (утяжеленном) и нижнем (облегченном) участках кабеля 1. На основании расчетов выбирают материал грузов 3, устанавливаемых на верхнем участке и на нижнем участке кабеля 1. При расчетах учитывают профиль ствола скважины, требуемую глубину доставки (длину горизонтального участка скважины) прибора 2, массу, силу трения прибора 2 и грузов 3 о стенки трубы на горизонтальном участке скважины. Учитывают также то, что в процессе погружения в жидкость на кабель 1 действует выталкивающая сила Р, прямо пропорциональная площади сечения кабеля 1 и глубине погружения прибора 2 в скважину. Так, на глубине 3000 м на кабель с диаметром 6 мм действует выталкивающая сила, равная 84,9 кг, на кабель с диаметром 10 мм - 235,5 кг, на кабель с диаметром 22 мм - 1139,7 кг.
Далее, на нижнем конце геофизического кабеля 1 монтируют исследовательский прибор 2. Размещают на кабеле 1 грузы 3 (например, шары или эллипсоиды), при необходимости начиная с грузов, изготовленных с меньшим диаметром и/или из материала с меньшим удельным весом. Количество размещаемых грузов 3 и, соответственно, длина нижней, облегченной, части движителя определены предварительно исходя из требуемой глубины доставки прибора 2 в интервал исследования и особенностей скважины. Аналогичным образом монтируют верхнюю часть движителя.
После этого производят спуск устройства в скважину с целью доставки исследовательского прибора 2 в интервал исследований горизонтального участка скважины.
По вертикальному участку скважины прибор 2 и грузы движителя 3 перемещаются под действием силы тяжести.
По горизонтальному участку скважины прибор 2 перемещается под воздействием совокупной массы верхней части движителя 3 и вертикального участка кабеля 1, которые расположены в вертикальном участке скважины.
2
в
тр
c
в
Пример конкретного применения предлагаемого устройства. В скважину глубиной 3000 м с горизонтальным участком 1000 м требуется доставить исследовательский прибор 2 весом 100 кг. Диаметр грузов 3 составляет 50 мм. Масса набора грузов 3 протяженностью 100 м совместно с геофизическим кабелем 1 на вертикальном участке составляет порядка 300 кг. При использовании геофизического кабеля 1 диаметром 6 мм выталкивающая сила Р равна 84,9 кг. При коэффициенте трения грузов 3 о стенки трубы горизонтального участка, принятом равным 0,1, суммарная сила трения составит: F=(100+300)×0,1=40 кг. Суммарная сила сопротивления передвижению прибора 2 составляет F=84,9+40=124,9 кг. Следовательно, для доставки прибора 2 на 1000 м, то есть для преодоления сопротивления 124,9 кг, требуется протяженность набора грузов 3 на вертикальном участке, равная Н=100 м×(124,9 кг : 300 кг)=41,63 м. Если же протяженность набора грузов 3 на вертикальном участке составляет 100 м, то прибор 2 можно доставить в горизонтальный участок на длину L=1000 м×(100 м : 41,63 м)=2410 м. Как видно, достигается результат, существенно превышающий глубину доставки, обеспечиваемую существующими известными техническими решениями.
После выполнения исследований прибор 2 извлекают на поверхность путем наматывания геофизического кабеля 1 на барабан, установленный на устье скважины.
Предложенное изобретение открывает возможность проведения исследований в горизонтальных скважинах протяженностью более 1000 м, без чего эксплуатация скважин не допускается природоохранными органами.