УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАРОТАЖА ОБСАЖЕННОЙ СКВАЖИНЫ
CASED WELL ELECTRICAL LOGGING DEVICE

1. Область техники
Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважины и предназначено для определения удельного электрического сопротивления пластов горных пород, окружающих обсаженную металлической колонной скважину.
2. Предшествующий уровень техники
Известно устройство «Электрического каротажа обсаженной скважины» (RU 2 306 582, 21/11/2005, МПК G01V 3/20(2006.01)), снабженное многоэлектродным зондом и измеряющее ток через электроды и потенциал электрического поля. Измерение производят с многократным прижимом измерительных электродов зонда под воздействием импульсно наращиваемого гидравлического давления необходимого для обеспечения контакта измерительных электродов с колонной.
Основной недостаток устройства - применение гидравлических систем исполнительного механизма измерения и использование импульсного статического примыкание электрода с применением жидкой передающей среды. Это обуславливает неоднородность прижима электродов, как по распределению площади примыкания каждого отдельных электрода, так и интегральных неоднородностей показателей примыкания между электродами.
Устройство состоит из пятиэлектродного зонда, выполненного в виде последовательно и равно-удаленно 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 является сложность конструкции исполнительных механизмов, невысокая надежность предохранительного устройства в случае отказа привода.
Исполнительный механизм представляет собой сложную телескопическую систему в которую подается давление из гидропривода.
Работа устройства состоит из операций выдвижения электродов, их прижатия к стене скважины, периодического механического воздействия на электроды гидравлическим приводом путем последовательной многократной подачи и сброса увеличивающегося импульсного давления.
Надежность обеспечения электрического контакта с колонной при этом способе низкая. Время за которое происходит прижатие электродов к стенке колонны составляет десятки секунд, что снижает скорость каротажа. Это очень плавное воздействие на электроды, импульсы давления жидкости, генерируемые электромагнитом сильно гасятся в большом объеме рабочей жидкости гидропривода, а также еще и полимерными шлангами и гофрами с низким модулем упругости, имеющимися в приводе. При этом энергия импульса распределяется на все имеющиеся электроды одновременно, все это затрудняет прорезание твердых отложений на стенке колонны до основного металла, теряется время на повторные попытки обеспечения контактов, что также снижает скорость каротажа. Практическое использование приборов с заявленной телескопической системой в скважине показало их низкую надежность из-за подклинивания и протечек уплотнений телескопической системы, что связано с агрессивной скважинной средой, с наличием в жидкости мелких твердых частиц продуктов коррозии колонны, цемента, отложений солей и пр.
В результате вероятность оставления прибора в скважине - высокая. Известно устройство для электрического каротажа через металлическую колонну (RU 2 489 73407, 11.2011, МПК G01V 3/20(2006.01) Е21В 47/125 (2012.01),) содержащее многоэлектродный скважинный зонд, конструкцию привода, имеющего выходной вал, который приводит в действие центрирующий механизм. Измерение производят с контактом (прижимом) под ударным воздействием на электровводы-электроды к стенке обсадной колонны с врезанием электровводов в стенку обсадной колонны.
Основной недостаток устройства в низкой надежности и как следствие низкой точности результатов механических измерительных систем.
Это устройство представляет собой конструкцию привода, имеющую выходной вал, который приводит в действие винтовые пары. Винтовые пары при прямом вращении упруго прижимают электроды к стенке обсадной колонны, ударно производят периодическое воздействие на рычаги, жестко связанные с электродами. При этом происходит врезание электродов в стенку обсадной колонны, ударное воздействие происходит при выходе из винтового взаимодействия винта и гайки, поджатой силовой пружиной. При обратном вращении вала происходит восстановление винтового взаимодействия в винтовых парах, возвращение электродов в исходное положение, а затем винтовые гребни вновь выходят из винтового взаимодействия, но с других концов. Этим достигается автоматическое позиционирование электродов в крайних положениях. Недостатками устройства являются: низкая надежность, которая обусловлена сложностью механической конструкции и быстрый износ поверхностей деталей при работе в агрессивной среде с включением абразивных частиц. Это приводит к отказам, малому межремонтному ресурсу и сложности в профилактическом обслуживании. Устройство требует специальные дорогостоящие покрытия, необходимо большое время для операции надежного внедрения электродов в тело колонны. Практически невозможно реализовать конструкции в малых диаметрах (менее 55 мм) из-за значительной ее сложности. К недостатку конструкции также нужно отнести то, что она не универсальна, требует сменные рычажные элементы с защитными узлами при работе в скважинах с внутренними диаметрами более 170 мм.
Известно устройство электрического каротажа обсаженной скважины (RU 2610340, 09.09.2014, МПК G01V 3/20), состоящее из наземного источника тока, геофизического кабеля, корпуса, силового привода, зонда, содержащего электронные блоки и электроды скважинной части многоэлектродного зонда с заостренными вставками, которые имеют возможность прижиматься к стенке металлической колонны скважины, силовой привод электрода, имеющим возможность совершать возвратно-поступательные перемещения электрода поперек оси скважины.
Недостаток - высокая погрешность измерения при достаточно сложной конструктивной схеме устройства.
Известно также устройство электрического каротажа обсаженных скважин (RU №2361245,19.02.2008 г. МПК G01V 3/22),
Устройство, состоит из наземной и скважинной частей.
уд
Наземная часть (дневная поверхность) включает электронный блок, в котором находится бортовой компьютер, периферийный блок, источник питания зонда, а также электроды N и В, связанные между собой линиями связи. Скважинная часть состоит из скважинного прибора с пятиэлектродным зондом жесткой конструкции, где размещены измерительные электроды, последовательно и равноудалено установлены вдоль оси скважины и два токовых электрода, установленных за их пределами симметрично относительно среднего измерительного электрода. В скважинной части также находится электропривод, переключатель тока питания зонда, измеритель тока питания зонда, измерители потенциалов электродов и их разностей и контроллер с модемом телесистемы для связи с наземным бортовым компьютером через каротажный кабель.
Электроды установлены на раскрывающихся рычажных центраторах, имеющих верхние и нижние рычаги, одни концы которых шарнирно соединены с общими осями и связаны с приводом через исполнительные механизмы, привод снабжен вращающимся валом, имеющим участки с винтовыми поверхностями число которых равно числу исполнительных механизмов. Электроды, расположенные на общих осях рычагов центраторов выполнены в виде твердосплавных одинаковых роликов, свободно вращающихся на общих осях, периферийные части роликов выполнены в виде остро заточенных кромок или зубьев, вторые концы верхних рычагов связаны с корпусом. Каждый исполнительный механизм представляет собой связанную с винтовой частью вала винтовую втулку, ограниченную двумя буртами, между которыми установлено кольцо, упруго поджатое пружинами к верхнему бурту, причем кольцо шарнирно связано со вторыми концами нижних рычагов центраторов. Привод устройства имеет концевые выключатели со специальным механизмом для автоматического выключения в конечных положениях.
Недостатком устройства является низкая надежность, оно включает в себя большое число подвижных и трущихся составных частей, что при работе в агрессивной скважинной среде с абразивными включениями приводит к отказам и требует частых ремонтно-профилактических работ.
Недостатком устройства является низкая эффективность обеспечения электрического контакта электродов со стенкой колонны, так как плавное поджатие электродов пружинами привода не обеспечивает надежное продавливание слоя коррозии, а также солевых и цементных отложений на стенке колонны до диффузии с металлом. Для надежного контакта с колонной перед каротажем приходится проводить специальные работы по очистке скважины, а это приводит к значительному удорожанию работ и увеличению времени на исследование. Также устройство имеет недостаток обусловленный наличием в конструкции подвижного электрического контакта между вращающимися роликами электродов и входными цепями измерителей потенциала. Поскольку подвижный контакт находится в жидкой среде, по существу, в электролите, то возникающий при этом между поверхностью ролика и его оси меняющийся во времени электрохимический потенциал является серьезной помехой и в большинстве случаев не позволяет качественно проводить исследования.
Конструкция сложна и практически нереализуема в малых габаритах (наружный диаметр менее 55 мм), для работы в скважинах малого диаметра.
3. Сущность изобретения
3.1. Постановка технической задачи.
Целью настоящего изобретения является надежное, быстрое обеспечение контакта электродов с поверхностью колонны, упрощение конструкции, ускорение процесса сборки и отладки, увеличение надежности и ремонтопригодности по сравнению с прототипом, а также возможность реализации конструкции в малых диаметрах.
3.2. Результат решения технической задачи.
В устройстве применен электрод, выполненный в виде вращающегося контактного элемента (диск, сверло), контакт которого обеспечивает плотное примыкания электрода к чистой поверхности металла и снижение паразитных электрохимических потенциалов.
3.3. Отличительные признаки
В отличие от известного решения измерительные электроды устройства снабжены герметичными приводами с выходными валами, включающими электрические контакты, причем приводы установлены на изолированных рычагах, а измерительные электроды связаны с выходными валами, передающими электродам вращение.
Устройство электрического каротажа в котором измерительные электроды могут быть выполнены в виде вращающихся дисков или режущих токопроводных инструментов.
Выполнение может обеспечивать вращение электродов-дисков поперек оси скважины.
Выходные валы соединены с измерительными электродами гибкой связью, а оси вращения электродов развернуты на угол относительно оси скважины.
В устройству прижимные устройства представляют собой барабаны, снабженные механизмами свободного хода, рессоры и гибкие тяги, причем барабаны соосны с выходными валами приводов, соединены с ними через механизмы свободного хода и электрически изолированы от них, рессоры свободными концами упруго опираются на изолированные рычаги, а гибкие тяги соединены с одной стороны с барабанами, а с другой стороны соединены с зондом.
3.3. Перечень фигур чертежей
На фиг. 1 схематично представлено предлагаемое устройство электрического каротажа обсаженных скважин; на фиг. 2 изображен фрагмент зонда с приводом и прижимным устройством измерительного электрода, выполненного в виде зубчатого колеса; на фиг. 3 изображен фрагмент зонда с приводом и прижимным устройством измерительного электрода, выполненного в виде сверла, где
1 - электронный блок подземной части устройства, 2 - центрирующие устройства, 3 - корпус зонда, 4 - электроизолированные рычаги, 5 - рессоры прижимных устройств, 6 - гибкие тяги прижимных устройств, 7 - блок регистрации и управления, 8 - бортовой компьютер, 8а - источник тока, 9 - привод электрода в рычаге 4, 10 - драйвер двигателя привода 9 с модемом связи, 11 - разъем электрических контактов связи драйвера 10 с элекронным блоком 1, 12 - электродвигатель с энкодером, 13 - редуктор, 14 - выходной вал, 15 - контакт на выходном валу, 16 - датчик Холла, связанный с модемом связи, 17 - ось, 18 - барабаны прижимных устройств соосные с выходным валом 14 и с гибкой тягой 6, 19 - Шпонка связи вала 14 с механизмом свободного хода 22 и зубчатым колесом 23, 20 - обратный токовый электрод «В», 21 - винт крепления свободного конца тяги 6 в корпусе 3 зонда, 22 - механизмы свободного хода барабанов, 23 - диск в виде зубчатого колеса или колеса с абразивным покрытием, функционально являющееся токовым электродом (Mn), 24 - планка связи вала 14 с механизмом свободного хода 22, 25 - фиксирующая гайкой. 26 - гибкий тросик связи вала 14 с зубчатым колесом 23 (электрод Mn), 27 - винт крепления на корпусе 3 гибкого тросика, 28 - планка крепления на корпусе 3 гибкого тросика, 29 - магнит, 30 - корпус дополнительный, 31 - винт, 32 - опора, 33 - гибкий вал, 34 - сверло (в цанговом устройстве для крепления режущего или абразивного инструмента);
А1 и А2 - токовые электроды; M1, М2, М3, … Mn, - измерительные электроды; В (20) - обратный токовый электрод; Nуд. - электрод уд.,
Электронный блок 1 содержит: измеритель потенциала электрического поля одного из измерительных электродов зонда, измеритель разностей потенциалов соседних измерительных электродов, электронное устройство для телеметрической системы передачи данных с выходов измерителей и приема команд управления с дневной поверхности.
4. Описание устройства
Для достижения поставленной цели в устройстве, включающем электронный блок, центрирующие устройства, зонд, содержащий прижимные устройства,  электроды последовательно расположенные вдоль оси скважины, причем на центрирующих устройствах расположены токовые электроды А1 и А2, а равноудалено расположенные измерительные электроды (М) установлены с возможностью упругого прижима к внутренним стенкам обсаженной скважины посредством электрически изолированных рычагов и прижимных устройств, наземный источник тока для подачи электрического тока в токовые электроды в том числе через обратный токовый электрод В,  измеритель потенциала электрического поля одного из измерительных электродов относительно удаленного электрода Nуд, измерители разности потенциалов электрического поля между соседними измерительными электродами, измеритель тока питания зонда, бортовой компьютер с блоком регистрации и управления для управления процессами во время каротажа и вычисления на основе полученных данных удельного электрического сопротивления пород, измерительные электроды снабжены герметичными приводами с выходными валами и электрическими контактами на валах, находящиеся в воздушной среде, что позволяет исключить появление больших электрохимических потенциалов, являющихся помехами. Приводы установлены в изолированных рычагах, а измерительные электроды связаны с выходными валами, передающими электродам вращение.
Измерительные электроды могут быть выполнены в виде наконечников фрез, кругов, зубчатых колес, сверл и т.д. вращение которых обеспечивает быстрое разрушение отложений на стенке скважины.
Прижимные устройства могут быть выполнены в виде барабанов, которые снабжены механизмами свободного хода и гибкими тягами, причем барабаны соосны с выходными валами приводов и соединены с ними через механизмы свободного хода и электрически изолированы от них, рессоры свободными концами упруго опираются на изолированные рычаги, а гибкие тяги соединены с одной стороны с барабанами, а с другой стороны - с  корпусом зонда.
Устройство состоит из наземной части включает: блок регистрации и управления, бортовой компьютер, источник тока, электроды В и Nуд., соединительный кабель. Подземная часть устройства содержит: электронный блок 1, центрирующие устройства 2; зонд, включающий в себя корпус 3, токовые электроды А1 и А2, измерительные электроды M1, М2, М3, … Mn, электроизолированные рычаги 4; прижимные устройства состоят из рессор 5, гибких тяг 6, барабанов 18 с механизмами свободного хода 22 (см. фигура 2).
Токовые электроды A1, А2 расположены на центрирующих устройствах 2.
Электронный блок 1 содержит: измеритель потенциала электрического поля одного из измерительных электродов зонда, измеритель разностей потенциалов соседних измерительных электродов, электронное устройство для телеметрической системы передачи данных с выходов измерителей и приема команд управления с дневной поверхности. Переключатель тока через который коммутируются цепи токов электродов А1 и А2.
Привод 9 размещен в рычаге 4, защищен от окружающей среды герметичным корпусом, и содержит: драйвер двигателя с модемом связи 10, разъем 11 электрических контактов связи с электронным блоком 1, электродвигатель 12 с энкодером, редуктор 13, выходной вал 14 на котором расположен контакт 15, датчик Холла 16, связанный с модемом. Положение привода относительно корпуса 3 зонда отслеживается датчиком Холла 16. Привод 9 может поворачиваться вместе с рычагом 4 на оси 17. Соосно с валом 14 установлен барабан 18 с намотанной на него гибкой тягой 6. Свободный конец тяги 6 закреплен на винте 21, установленном в корпусе зонда 3. Барабан 18 выполнен так же как и рычаг 4 из прочного электроизоляционного материала, и связан с валом 14 через механизм свободного хода 22. С валом связано зубчатое колесо 23, являющимся токовым электродом Mn. Шпонка 24 связывает вал 14 с механизмом свободного хода 22 и зубчатым колесом 23, которые фиксируются гайкой 25.
Диск в виде зубчатого колеса или колеса с абразивным покрытием 23 (электрод Mn) связан с валом 14 гибким тросиком 26. Рычаг 4 постоянно поджат свободным концом рессоры 5, другой конец закреплен на корпусе 3 винтом 27 и планкой 28. Усилие рессоры 5 компенсируется натяжением гибкой тяги 6. Механизм свободного хода 22 находится в зацеплении с барабаном 18 и не позволяет ему вращаться.
На дневной поверхности находится бортовой компьютер, источник питания токовых электродов, блок регистрации и управления, связанные с обратным токовым электродом В, электродом Nуд., и через каротажный кабель со скважинным зондом устройства.
Устройство работает следующим образом.
Контакт измерительных электродов M1, М2, М3, … Mn со стенкой скважины достигается следующим образом. Рассмотрим рабочий цикл на примере одного электрода.
После того как скважинный зонд установлен в скважине на заданный интервал, по команде с бортового компьютера через электронный блок 1 (фиг. 1), включается привод 9. Вал 14 начинает вращаться вместе с зубчатым колесом 23, механизм свободного хода 22 выходит из зацепления с барабаном 18, гибкая тяга 6 начинает разматываться. Под воздействием рессоры 5 на рычаг 4, зубчатое колесо 23 вместе с рычагом 4 поворачивается вокруг оси 17 и начинает прорезать коррозионный слой, внедряться в металл стенки колонны. Усилие прижатия и геометрия электродов 23 в устройстве рассчитывается так, чтобы не повредить колонну. С целью нейтрализации реактивного вращающего момента на зонд, обеспечивается вращение электродов попарно в разные стороны. После остановки привода и контроля электроникой качества прижима электродов, начинается режим измерения. Режим измерения производится с использованием двух циклов,
В первом цикле измерений (калибровочном) ток от источника питания зонда подается между первым А1 и вторым А2 токовыми электродами. При этом производится измерение тока, а также всех необходимых потенциалов на измерительных электродах и передача их значений в бортовой компьютер.
Во втором цикле (измерительном) ток от источника питания подается в один из токовых электродов А1 или А2 относительно электрода В. Значения тока и все необходимые потенциалы измерительных электродов M1, М2, М3, … Mn передаются в бортовой компьютер. Затем на основе измеренных значений токов, потенциала одного из электродов относительно Nуд. и разности потенциалов между измерительными электродами в двух циклах, в бортовом компьютере вычисляются значения удельного электрического сопротивления. После чего с бортового компьютера подается команда на складывание прижимных устройств в транспортировочное положение.
Рассмотрим операцию складывания в транспортировочное положение измерительных электродов на примере одного электрода (фиг. 2). Вал 14 начинает вращаться в противоположную сторону по сравнению с режимом врезания электродов, механизм свободного хода 18 зацепляется с барабаном 22. На барабан 22 начинает наматываться гибкая тяга 6. Рычаг 4 вместе с приводом 9 и электродом 23 поворачиваются вокруг оси 17, и возвращаются к исходному положению, которое отслеживается срабатыванием датчика Холла 16 при совмещении его с магнитом 29 (см. также фигуру 1), вмонтированном в корпус зонда 3. После чего привод отключается, механизм свободного хода 22 фиксирует барабан 18 от проворота, устройство готово к перемещению на следующую точку измерения.
Для уменьшения суммарного реактивного момента на зонд, с целью увеличения устойчивости прибора, для уменьшения вероятности пропадания контакта во время операции внедрения электродов предлагается вариант конструкции, показанной на фигуре 3. Вместо электродов-дисков ставится электрод 34 в виде сверла. Конструкция имеет корпус 30, который жестко крепится к корпусу привода 9 при помощи резьбы и винта 31. Сверло 34 установлено на опоре 32. Вращение на сверло 34 передается с вала 14 через гибкий вал 33, представляющий собой продолжение вала 14. Такая конструкция позволяет использовать сверла с малым диаметром, что снижает энергию затрат и реактивный момент при резании. Поскольку плоскость вращения сверла 34 развернута вдоль относительно оси скважины, то реактивный суммарный момент, возникающий при вращении измерительных электродов в этой плоскости, будет легко уравновешиваться благодаря значительной длине прибора и малому диаметру сверла.
5. Пример конкретного выполнения
Как показали стендовые испытания макета прижимного узла при скорости вращения электрода 2-4 оборота в секунду и давлении рессоры 1-2 кг металлическую поверхность покрытую коррозией и 7 миллиметровым слоем цемента электрод внедряется до надежного контакта за 3-4 секунды, что значительно быстрее, чем это происходит в известных устройствах.
Конструкция устройства с большой степенью унификации, что упрощает ее сборку и отладку. Она не требует больших мощностей двигателей, в ней не используются высокие усилия и моменты вращения, что приводит к быстрому износу деталей в устройстве прототипа, здесь мало подвижных элементов, трущихся в абразивной среде. Так как силовые элементы устройства, такие как двигатель-редуктор, рессора - маломощные и малогабаритные, то нет особых проблем реализовать устройство в диаметрах менее 55 мм. Сейчас завершена разработка рабочих чертежей устройства с внешним диаметром Ф 54 мм. Радиус раскрытия этих прижимных устройств позволяет работать без сменных элементов в скважинах с внутренними диаметрами от минимального, ограниченного собственным диаметром зонда, до 220 мм.