Способ и устройство бокового отбора керна из стенки нецентрированного участка обсадной колонны труб в наклонной скважине
METHOD AND DEVICE FOR LATERAL CORING FROM THE WALL OF A NON-CENTERED SECTION OF A CASING STRING IN AN INCLINED WELL

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, к средствам бокового отбора керна из стенок обсаженных скважин способом и устройством с использованием геофизического кабеля на участках наклонных обсадных колонн, где отсутствуют центраторы, с целью получения удлиненных образцов горных пород, достаточных для определения физико-емкостных свойств горных пород, а также с целью получения удлиненных образцов цемента, достаточных для определения механических свойств крепи скважин.
Способ и устройство предназначены для доразведки вышележащих горизонтов на поздней стадии разработки месторождений и эксплуатации нижележащих горизонтов.
Известен способ бокового отбора керна, включающий спуск на заданный интервал в скважину устройства для бокового керна, герметизацию участка отбора керна, вскрытие глинистой корки и осуществление фильтрации жидкости из полости устройства в пласт, выбуривание керна с промывкой, регистрирацию давления в полости керноотборника, при величине давления ниже пластового происходит приток жидкости из пласта в полость бура, что улучшает очистку коронки и зоны бурения от шлама и керна, при потоке жидкости из пласта прекращается процесс кернообразования (патент RU № 2023149, МПК  Е21В 49/06, опубл. 15.11.1994).
Известно устройство для бокового отбора керна, содержащее корпус с расположенным на нем герметизирующим башмаком, бур с коронкой, пропущенный через башмак, механизм с приводом подачи бура, связанный нижней частью с промывочным поршнем, выполненным с выступом в нижней своей части и размещенным в полости промывочной системы, дифференциальный поршень, размещенный в подпоршневой полости промывочной системы, и датчик давления, размещенный в подпоршневой полости промывочной системы, выполненный с возможностью взаимодействия с выступом промывочного поршня в крайнем нижнем положении для сообщения подпоршневой полости промывочной системы с внешним пространством, дополнительно устройство снабжено пробосборником и пробоприемником с ограничителем депрессии, при этом дифференциальный поршень установлен большим сечением в подпоршневой полости промывочной системы с возможностью разообщения полости пробоотборника от полости пробосборника в верхнем своем положении и образования гидравлической связи между полостью пробоприемника и подпоршневой полостью и сообщения полостей пробоприемника и пробосборника между собой в нижнем своем положении, причем ограничитель депрессии выполнен в виде кольцевого дифференциального поршня, установленного в полости пробоприемника, а зона подпоршневой полости, расположенная под большим сечением дифференциального поршня, и зона полости пробоприемника, расположенная под большим сечением кольцевого дифференциального поршня, гидравлически связаны с внешним пространством (патент RU № 2023149, МПК Е21В 49/06, опубл. 15.11.1994). Способ и устройство обеспечивают отбор образцов породы из стенок скважины для геофизического исследования.
Недостатком данного способа и устройства является осуществление промывки зоны отбора керна пластовым флюидом и замещение бурового раствора в полости бура непосредственно в процессе отбора керна, что может привести к разрушению породы или изменению фильтрационно-емкостных свойств образца, что может существенно исказить результаты геомеханического исследования. Кроме того, данное устройство не способно самоориентироваться (направлять бур в сторону  с наименьшей толщиной цементного камня) в скважинах с кривизной более 5 градусов.
Известно устройство для отбора герметизированного керна из стенки скважины, содержащее корпус и размещенные в нем пустотелый бур с кольцевой фрезой, с буром посредством передаточного механизма кинематически связана пробка, перекрывающая керноприемную кассету, передаточный механизм выполнен в виде поворотного барабана с криволинейным вырезом на его боковой поверхности, отклоняющего пальца и поворотного рычага, отклоняющий палец скользит в криволинейном вырезе и жестко связан с корпусом бура, поворотный рычаг одним концом соединен с барабаном, а другим - с пробкой при помощи механической пары - штифта с вилкой, пробка размещена в крышке кассеты и выполнена в виде вращающегося цилиндра, в цилиндре имеется сквозной канал, соразмерный выбуриваемому керну, цилиндр снабжен кольцевыми уплотнениями, соединенными между собой линейными элементами, поворотный рычаг имеет ось вращения, связанную с корпусом устройства (патент RU 2251618, МПК Е21В 49/06, опубл. 10.05.2005). Изобретение относится к исследованиям скважин, а именно к средствам для выбуривания герметизированного образца горной породы из стенок скважин.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности самоориентирования (направлять бур в сторону с наименьшей толщиной цементного камня) в скважинах с кривизной более 5 градусов.
Известна группа изобретений по скважинному инструменту для опробования пласта (патент RU № 2363846, МПК Е21В 49/00, опубл. 10.08.2009). Группа изобретений относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к инструментам для исследования параметров пластов и получения скважинных проб. Инструмент для опробования пласта включает, спускаемый в скважину на кабеле узел, выполненный с возможностью установки в заданном положении в стволе скважины, проходящем в подземный пласт, содержащий инструмент для бурения с отбором керна, предназначенный для взятия образцов керна из пласта, и инструмент для опробования пласта, предназначенный для взятия проб текучих сред из пласта и соединенный в рабочем положении с инструментом для бурения с отбором керна.
Недостатком данного инструмента является возможность применения только в открытом стволе скважины в процессе (или после) бурения скважины во время опробования пласта. Кроме того, данное устройство не способно самоориентироваться (направлять бур в сторону с наименьшей толщиной цементного камня) в скважине с кривизной более 5 градусов.
Известен способ и устройство для бокового отбора образцов обсадных труб, цементного камня и породы пласта в нефтегазовых обсаженных скважинах для исследования состояния крепи, а также для создания в обсадных колоннах отверстий большого диаметра с помощью перфоратора-керноотборника сверлящего ПКС-112, работающего на геофизическом кабеле (https://vniigis.com/?p=609&lang=ru). Способ бокового отбора образцов обсадных труб, цементного камня и породы пласта в нефтегазовых обсаженных скважинах включает спуск в скважину на кабеле перфоратора-керноотборника сверлящего, отбор пробы. Устройство для бокового отбора образцов обсадных труб, цементного камня и породы пласта в нефтегазовых обсаженных скважинах содержит корпус, электродвигатель, редуктор, гидронасос, бур с фрезой, прижимной рычаг, гидравлический контур подачи бура и выдвижения прижимного рычага, цилиндры с поршнями подачи бура и выдвижения прижимного рычага, пружины возврата функциональных узлов в исходное положение.
Недостатком этого способа и устройства является малый диаметр образца (22-25 мм), а также малый выход бура (45 мм), что не позволяет отбирать образцы горной породы для проведения исследований.
При применении традиционного оборудования (боковые грунтоносы, керноотборники и пр.) для отбора керна в обсаженных скважинах существует значительный риск отбора некачественных образцов горной породы, заключающегося в недостижении необходимых геометрических параметров керна (длина и диаметр образца горной породы должны составлять 60 и 30 мм соответственно), что затрудняет проведение дальнейших исследований горной породы.
Наиболее близким по технической сущности является способ и устройство для отбора образцов колонны труб, цемента и горной породы с помощью фрезерного перфоратора ПФ-112/35, спускаемого в обсаженную скважину на кабеле (http://npf-ergis.ru/catalog/frezernyy-perforator-pf-112-35/). Фрезерный перфоратор ПФ-112/35 работает в комплексе каротажного оборудования, включающего подъемник-лабораторию, геофизические приборы, и управляется пультом управления с поверхности. Фрезерный перфоратор ПФ-112/35 содержит корпус, имеющий возможность прижатия к стенке скважины в заданном интервале, электродвигатель, редуктор с выходным валом, кинематически связанный с буром и фрезой на торце для их вращения, насос создающий давление в гидросистеме устройства для срабатывания механизма прижатия и осевого перемещения вращающего бура с фрезой, механизм индикации и осевого перемещения бура с фрезой и регулировки усилия его подачи при фрезеровании обсадной колонны, цемента и горной породы, а также пружин для возвращения прижимного механизма и бура с коронкой в исходное положение.
Недостатком способа и устройства является низкая эффективность из-за отсутствия возможности ориентации бура с фрезой в нецентрированной части обсадной колонны в наклонной скважине, не позволяющей производить отбор удлинённых образцов керна (с учетом попутно-отбираемого образца эксплуатационной колонны, цементного камня и образца горной породы). Малая длина отбираемых образцов горной породы и образцов цементного камня не позволяют в полном объёме качественно определять физико-ёмкостные свойства продуктивной части исследуемого пласта и механические свойства цементной крепи на существующем лабораторном оборудовании.
Технической задачей способа и устройства бокового отбора керна из стенки нецентрированного участка обсадной колонны труб в наклонной скважине является повышение эффективности и надежности способа и устройства за счет регулируемой ориентации бура с фрезой в нецентрированной части обсадной колонны труб в наклонной скважине на участке с минимальной толщиной цемента при боковом отборе удлиненных образцов горных пород и с максимальной толщиной цемента при отборе удлиненных образцов цемента. Также расширение средств бокового отбора керна из стенки нецентрированного участка обсадной колонны труб в наклонной скважине, снижение времени выполнения способа.
Техническая задача решается способом бокового отбора керна из стенки нецентрированного участка обсадной колонны труб в наклонной скважине, включающим сбор компоновки устройства, спуск компоновки в скважину на кабеле, отбор пробы.
Новым является то, что на устье собирают компоновку устройства, включающую фрезерный перфоратор, стыковочный модуль ориентации, вращающийся кабельный наконечник, трехжильный каротажный кабель подключают к наземной аппаратуре управления через пульт управления и к силовому трансформатору, предварительно выполняют калибровочные работы с модулем ориентации по определению положения бура с фрезой в зоне с минимальной или максимальной толщиной цемента, спускают компоновку на трехжильном каротажном кабеле в скважину на глубину отбора керна, проворачивают компоновку вокруг своей оси путем включения и выключения электродвигателя фрезерного перфоратора, используя возникающий при запуске импульс крутящего момента от ротора электродвигателя до установки бура с фрезой на поверхности обсадной колонны труб в заданной зоне, прижимают к стенке скважины и начинают фрезеровку колонны в месте минимальной или максимальной толщины цемента, отбирая при этом образец горной породы или цемента.
Техническая задача решается устройством для бокового отбора керна из стенки нецентрированного участка обсадной колонны труб в наклонной скважине, содержащим фрезерный перфоратор, включающий цилиндрический корпус, трехфазный асинхронный электродвигатель с массивным ротором, редуктор, бур с фрезой, гидравлический насос, электромагнитный клапан, потенциометрический датчик сопротивления осевого перемещения бура, прижимное устройство, пружину возврата функциональных узлов в исходное положение, также вращающийся кабельный наконечник и наземную аппаратуру с пультом управления.
Новым является то, что дополнительно устройство содержит стыковочный модуль ориентации, включающий головку для соединения с вращающимся кабельным наконечником, корпус, эксцентричный груз в опорах качения, потенциометрический датчик сопротивления положения эксцентричного груза, муфту для соединения с фрезерным перфоратором, электропроводку, а наземная аппаратура пульта управления содержит трансформатор с переключателем напряжения, выпрямительный мост, выключатель выпрямительного моста, мост сопротивлений, микроамперметр, миллиамперметр с шунтом, переключатель полярности постоянного тока, выключатель трехфазного напряжения, амперметр, к пульту управления подключен силовой повышающий трансформатор, который передает электроэнергию трехфазного тока к электродвигателю фрезерного перфоратора по броне и двум жилам каротажного кабеля, фрезерный перфоратор включает электромагнитный игольчатый клапан регулировки подачи бура с фрезой и потенциометрический датчик сопротивления контроля осевого перемещения бура с фрезой, а обмотка игольчатого клапана последовательно соединены через диод положительной полярности через третью жилу каротажного кабеля с переключателем полярности, переключением полярности на отрицательную подключается через диод к третьей жиле каротажного кабеля потенциометрический датчик сопротивления положения эксцентричного груза модуля ориентации устройства.
На фиг. 1 представлена ориентация устройства с установкой фрезы в зону минимальной толщины цемента для отбора удлиненных образцов горной породы;
на фиг. 2 представлена ориентация устройства с установкой фрезы в зону максимальной толщины цемента для отбора удлиненных образцов цемента;
на фиг. 3 представлен модуль ориентации фрезы устройства в зону минимальной или максимальной толщины цемента;
на фиг. 4 представлена электрическая схема наземного пульта для управления ориентацией фрезы и отбора удлиненных образцов породы и цемента способом и устройством через трехжильный каротажный кабель.
Устройство для бокового отбора керна из стенки нецентрированного участка обсадной колонны труб в наклонной скважине собирают и спускают в скважину на каротажном трехжильном кабеле 1 (фиг. 1) фрезерного перфоратора с вращающейся муфтой-наконечником (на фигуре не показано). Устройство включает стыковочный модуль ориентации 2 состыкованный с фрезерным перфоратором. В качестве фрезерного перфоратора используют, например ПФ-112/35, изготавливаемый ООО НПФ «ЭРГИС» (г. Октябрьский, Башкортостан). Фрезерный перфоратор содержит цилиндрический корпус 3, трехфазный асинхронный электродвигатель 4 с массивным ротором и планетарным редуктором, гидравлический насос 5, бур с фрезой 6 коронкой, прижимное устройство 7, пружину возврата 8 функциональных узлов в исходное положение. Стыковочный модуль ориентации 2, изготавливаемый ООО НПФ «ЭРГИС» (г. Октябрьский, Башкортостан), содержит эксцентричный груз 9 (фиг. 1, 3) в опорах качения, потенциометрический датчик сопротивления 10 осевого перемещения бура с фрезой и положения груза 9. Также вращающийся кабельный наконечник и наземную аппаратуру с пультом управления.
Устройство предназначено для отбора керна – образцов горных пород (фиг. 2) например, песчаника 11, глинистого сланца 12, известняка 13, а также отбора образцов цемента 14 из зоны эксцентричной крепи обсадной нецентрированной колонны 15, когда она лежит на боку наклонной скважины.
Конструкция стыковочного модуля ориентации содержит головку 16 (фиг. 3) для соединения с вращающимся кабельным наконечником-муфтой каротажного кабеля 1, эксцентричный груз 9 в опорах качения, потенциометрический датчик (на фигуре не показано) сопротивления положения груза 9, муфту 17 (фиг. 3) для соединения с фрезерным перфоратором, электропроводку 18.
В качестве пульта управления применяется пульт серийного производства для сверлящего перфоратора ПС-112. Принципиальная схема пульта управления (фиг. 4) и контроля за работой устройства содержит трансформатор Тр.1 с переключателем напряжения П, выпрямительный мост VD1-VD4, выключатель SB1 выпрямительного моста, мост сопротивлений R1-R6, микроамперметр µА, миллиамперметр mA с шунтом RS, переключатель полярности SB2 постоянного тока, выключатель трехфазного напряжения SB3 - 380 В, амперметр А. К пульту управления подключен силовой повышающий трансформатор Тр.2, который передает электроэнергию трехфазного тока к электродвигателю 4 (фиг. 1) фрезерного перфоратора по броне и двум жилам каротажного кабеля 1 известным способом (например, патент RU № 1556167). Фрезерный перфоратор включает электромагнитный игольчатый клапан 19 (фиг. 4) регулировки подачи бура с фрезой и потенциометрический датчик сопротивления R7 контроля осевого перемещения бура с фрезой, а обмотка игольчатого клапана 19 и R7 последовательно соединены через диод VD5 положительной полярности через третью жилу каротажного кабеля 1 (фиг. 4) с переключателем полярности SB2 Переключением полярности SB2 на отрицательную подключается через диод VD6 к третьей жиле каротажного кабеля 1 потенциометрический датчик сопротивления 10 положения эксцентричного груза модуля ориентации 2 устройства.
Способ выполняют в следующей последовательности.
На устье скважины собирают компоновку устройства, включающую фрезерный перфоратор, стыковочный модуль ориентации, вращающийся кабельный наконечник, каротажный кабель и пульт управления. Устройство в сборе из стыковочного модуля ориентации 2 с фрезерным перфоратором присоединяют (фиг. 1) к каротажному кабелю 1, соединяют с пультом управления (фиг. 4) и силовым трансформатором ТР-2. Далее, не опуская прибор в скважину, проводят калибровочные работы, устанавливая устройство горизонтально буром с фрезой 6 вниз, и включают пульт управления. Затем, переключают SВ-2 на отрицательную полярность и фиксируют на микроамперметре μА пульта точку положения эксцентричного груза 9 (фиг. 3) модуля ориентации 2 (фиг. 4), в соответствии с изменением сопротивления 10. После этого, поворачивают устройство буром с фрезой вверх и фиксируют на μА пульта точку положения эксцентричного груза 9 (рис. 3) модуля ориентации 2 (фиг. 4). После проведения калибровки, спускают устройство на каротажном кабеле в скважину на глубину отбора керна, начиная с нижней точки. Проворачивают устройство вокруг своей оси путем нескольких включений и выключений электродвигателя ПФ-112/35 переключателем SВ-3, используя возникающий при запуске импульс крутящего момента от массивного ротора электродвигателя до установки бура с фрезой 6, согласно фиг. 1., по зафиксированной на поверхности при калибровке зоны в точке. Переключают SВ-2 (фиг. 4) на положительную полярность. Включают ПФ-112/35 с помощью SВ-3, происходит прижим устройства к стенке скважины и начинается фрезеровка колонны в месте минимальной толщины цемента, отбирая при этом образец горной породы наибольшей длины. Регулируют осевую нагрузку на бур с фрезой изменением тока в обмотке игольчатого клапана 19, изменяя величину с помощью переменного сопротивления R6 (фиг. 4). Контролируют осевое перемещение бура с фрезой 6 по изменению сопротивления датчика бура R7, отражаемое в изменении показаний μА. После полного выхода бура с фрезой обесточивают индикационную схему пульта, выключая SB1, в результате чего затягивается в корпус бур с фрезой, отрывая выбуренный удлиненный образец горной породы, вместе с образцом цементного камня и образцом обсадной колонны. Возвращается в исходное положение прижимное устройство 7 с помощью пружины 8 (фиг. 1). Выключают пульт управления и поднимают устройство на поверхность. Демонтируют бур с фрезой из устройства, извлекают из полости бура образцы. Устанавливают бур с фрезой обратно в устройство, повторно опускают устройство на первую точку. Включают пульт, переключают SB-2 на отрицательную полярность, кратковременно проворачивают устройство вокруг своей оси путем нескольких включений и выключений электродвигателя ПФ-112/35 переключателем SВ-3, до положения, согласно фиг. 2. Переключают SВ-2 на положительную полярность. Включают ПФ-112/35 с помощью SВ-3, происходит прижим устройства к стенке скважины и начинается фрезеровка колонны в месте максимальной толщины цемента, отбирая при этом образец обсадной колонны и удлиненный образец цемента.
Зону с минимальной и максимальной толщиной цемента определяют пространственным расположением ствола скважины: при наличии кривизны, которая отражается увеличением угла вхождения в пласт, при отсутствии центраторов в предполагаемой зоне отбора, обсадная колонна скважины смещается относительно центра ствола скважины ближе к стенке ствола скважины – в этом случае образуется зона с минимальной толщиной цемента. Противоположная сторона ствола скважины будет характеризоваться минимальной толщиной цемента.
После полного выхода бура с фрезой обесточивают индикационную схему пульта, выключая SB1, в результате чего затягивается в корпус бур с фрезой, отрывая выбуренный удлиненный образец цементного камня и образец обсадной колонны. Возвращается в исходное положение прижимное устройство 7 с помощью пружины 8 (фиг. 2). Выключают пульт управления и поднимают устройство на поверхность. Демонтируют бур с фрезой из устройства, извлекают из полости бура образцы бокового отбора керна.
Цикл, состоящий из двух этапов – отбор удлиненного образца горной породы, достаточный для качественного проведения исследования керна, цементного камня и обсадной колонны и отбор удлиненного образца цементного камня и обсадной колонны, достаточный для качественного проведения исследования, повторяют на следующих точках отбора образцов. Обеспечивает экономию времени, электроэнергии, трудозатрат.
Способ и устройство бокового отбора керна из стенки нецентрированного участка обсадной колонны труб в наклонной скважине обеспечивает повышение эффективности и надежности способа и устройства за счет регулируемой ориентации бура с фрезой в нецентрированной части обсадной колонны труб в наклонной скважине на участке с минимальной толщиной цемента при боковом отборе удлиненных образцов горных пород и с максимальной толщиной цемента при отборе удлиненных образцов цемента.