ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ЗОНД ДЛЯ НЕФТЕГАЗОВОЙ СКВАЖИНЫ И/ИЛИ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ
MEASURING PROBE FOR OIL AND GAS WELL AND/OR CASING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области приборов скважинного каротажа, а именно к устройствам для проведения измерений с использованием нового механизма внутрискважинного контактного взаимодействия без проскальзывания.
Новая схема внутрискважинного контактного взаимодействия позволяет обеспечивать плотный точечный или линейный контакт при перемещении измерительного прибора с одним датчиком или набором датчиков с внутренней стенкой ствола буровой скважины и/или обсадной колонны. Датчик может быть преобразователем, приемником или сочетать обе эти функции.
Высокоточные роботизированные манипуляторы контактируют со стенками ствола буровой скважины посредством вращающихся наконечников полигональной или округлой формы. Вращающиеся наконечники снижают уровень поверхностных шумов и уменьшают повреждение внутрискважинной поверхности. В точках контакта осуществляется излучение сигнала непосредственно в геологическую формацию через точку (точки) контакта. Отклик формации на сигнал регистрируется датчиками на других (или тех же) высокоточных роботизированных манипуляторах и/или соответствующим образом устроенными датчиками, которые могут располагаться выше или ниже положения, в котором производится излучение сигнала.
Испускаемый сигнал может быть однокомпонентным или комплексным (акустическим, радиоактивным, электромагнитным и т.д.). Акустические средства включают в свой состав ультразвуковые, звуковые, сейсмические, оптоакустические и т.д. Поскольку проблема, связанная со стыковочными узлами, играет ключевую роль в акустических измерениях, прямая стыковка ствола скважины способна обеспечить возможность реализации следующих функций: очень высокий уровень эффективности передачи/приема энергии, возможность векторных измерений, минимизация эффектов, связанных с перемещением скважинного прибора, измерение медленного сдвига без скважинной моды и т.д. При дополнении акустики другими физическими компонентами, например измерениями, которые требуют коррекции с учетом окружающей скважинной среды, электродными контактами, точечным, линейным или малым источником и т.д., с помощью данного механизма достигаются существенные преимущества. Кроме того, при использовании полигональных точечных контактов имеется возможность применения пьезоэлектрического материала в электрических преобразователях давления (или усилия), а также оптических (оптоакустических, оптоэлектронных и т.д.) преобразователей.
Уровень техники
Приборы скважинного каротажа (см. патенты US 2582314 и US 2712627) используются для оценки характеристик продуктивных пластов на всех этапах работ с нефтяными скважинами (таких как разведка, подготовка, опробывание, заканчивание и добыча). Требования к проведению соответствующих измерений усложняются, имеется необходимость в развитии технологии и разработке новых концепций для преодоления проблем, связанных со сложностью характеристик новых продуктивных пластов и связанных с ними геологических формаций. Подобные разработки сосредоточены на проблемах улучшения качества измерений, передаче/приеме сигналов и т.д. С другой стороны, отсутствует должный уровень усилий в направлении совершенствования геометрии измерений, а проводимые разработки в области аппаратных средств не затрагивают первоначальной конструкции скважинных приборов.
Наиболее близким аналогом изобретения (прототипом) является патент RU 2319004, опубл. 10.03.2008. В соответствии с данным патентом измерительный зонд для нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны содержит основной корпус и измерительное средство.
Основными недостатками данного измерительного зонда являются погрешности в измерениях, более низкая скорость проводимых измерений за счет отсутствия высокоточных роботизированных манипуляторов и узкая область применения только для определения характеристик флюида, протекающего в нефтегазовой скважине.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании измерительного зонда для нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны, обеспечивающего более быстрые и точные измерения в скважине или обсадной колонне за счет наличия высокоточных роботизированных манипуляторов с вращающимися наконечниками различной геометрии, прикрепленных к корпусу скважинного прибора и способных обеспечить такое усилие при контакте источников и датчиков с геологической формацией, которое необходимо для непосредственного измерения отклика формации в процессе перемещения прибора вверх или вниз.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого технического решения, заключается в создании измерительного зонда для нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны, позволяющего проводить более точные и быстрые измерения в скважине и/или обсадной колонне.
Поставленный технический результат достигается за счет того, что измерительный зонд для нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны содержит основной корпус и измерительное средство, причем зонд снабжен по меньшей мере одним роботизированным манипулятором, прикрепленным к основному корпусу и оборудованным на своем свободном конце контактным наконечником, выполненным с возможностью вращения и обеспечивающим в процессе перемещения зонда постоянный последовательный контакт между вращающейся поверхностью наконечника и внутренней стенкой нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны, причем контактный наконечник по меньшей мере одного манипулятора снабжен по меньшей мере одним источником излучения, обеспечивающим излучение сигнала в геологическую формацию через точку контакта наконечника с внутренней стенкой нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны, а измерительное средство представляет собой по меньшей мере один датчик, расположенный на контактном наконечнике по меньшей мере одного манипулятора и регистрирующий отклик геологической формации на излученный источником сигнал.
Кроме того, контактный наконечник имеет полигональную форму, и последовательный контакт между поверхностью наконечника и внутренней стенкой нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны осуществляется по вершинам наконечника, или контактный наконечник имеет округлую форму, и последовательный контакт между поверхностью наконечника и внутренней стенкой нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны осуществляется по окружности наконечника.
Кроме того, при использовании двух и более роботизированных манипуляторов по меньшей мере один источник излучения, обеспечивающий излучение сигнала в геологическую формацию через точку контакта наконечника с внутренней стенкой нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны, и по меньшей мере один датчик, регистрирующий отклик геологической формации на излучаемый этим источником сигнал, расположены на одном или на разных роботизированных манипуляторах.
Кроме того, по меньшей мере один источник излучения, обеспечивающий излучение сигнала в геологическую формацию через точку контакта наконечника с внутренней стенкой нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны, и по меньшей мере один датчик, регистрирующий отклик геологической формации на излучаемый этим источником сигнал, расположены на роботизированных манипуляторах, прикрепленных к основному корпусу на разной высоте.
Кроме того, по меньшей мере один роботизированный манипулятор выполнен с возможностью вращения в азимутальном направлении.
Кроме того, роботизированный манипулятор выполнен либо с возможностью управления посредством системы управления контактным усилием наконечника с помощью пружинной системы или системы подвески, либо с возможностью управления посредством компьютера, микропрограммного обеспечения и/или операторского управления.
Кроме того, контактный наконечник закреплен на конце роботизированного манипулятора или внутри него и выполнен с возможностью вращения посредством фрикционного механизма или с помощью привода.
Кроме того, контактный наконечник выполнен из металла или композитного материала, или полимерного вещества, или из их комбинаций.
Кроме того, по меньшей мере один источник излучения, обеспечивающий излучение сигнала в геологическую формацию, одновременно является датчиком, регистрирующим отклик геологической формации на излученный сигнал.
Кроме того, по меньшей мере один источник излучения представляет собой источник акустического излучения или источник электромагнитного излучения, или источник радиоактивного излучения.
Кроме того, контактный наконечник по меньшей мере одного роботизированного манипулятора содержит комбинацию источников излучения разного типа.
Кроме того, при использовании двух и более роботизированных манипуляторов их наконечники снабжены источниками излучения разного типа.
Кроме того, по меньшей мере один датчик выполнен из пьезоэлектрического материала.
При проведении поиска по патентной и научно-технической информации не было обнаружено решений, содержащих всей совокупности предлагаемых признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию «новизна».
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Изобретение поясняется чертежом, где представлен общий вид измерительного зонда для нефтегазовой скважины.
Настоящее изобретение относится к измерительному зонду для нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны, содержащего основной корпус и измерительное средство, причем зонд снабжен по меньшей мере одним роботизированным манипулятором, прикрепленным к основному корпусу и оборудованным на своем свободном конце контактным наконечником, выполненным с возможностью вращения и обеспечивающим в процессе перемещения зонда постоянный последовательный контакт между вращающейся поверхностью наконечника и внутренней стенкой нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны, причем контактный наконечник по меньшей мере одного манипулятора снабжен по меньшей мере одним источником излучения, обеспечивающим излучение сигнала в геологическую формацию через точку контакта наконечника с внутренней стенкой нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны, а измерительное средство представляет собой по меньшей мере один датчик, расположенный на контактном наконечнике по меньшей мере одного манипулятора, и регистрирующий отклик геологической формации на излученный источником сигнал. При этом контактный наконечник имеет полигональную форму, и последовательный контакт между поверхностью наконечника и внутренней стенкой нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны осуществляется по вершинам наконечника, или контактный наконечник имеет округлую форму, и последовательный контакт между поверхностью наконечника и внутренней стенкой нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны осуществляется по окружности наконечника. При использовании двух и более роботизированных манипуляторов по меньшей мере один источник излучения, обеспечивающий излучение сигнала в геологическую формацию через точку контакта наконечника с внутренней стенкой нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны, и по меньшей мере один датчик, регистрирующий отклик геологической формации на излучаемый этим источником сигнал, расположены на одном или на разных роботизированных манипуляторах. По меньшей мере один источник излучения, обеспечивающий излучение сигнала в геологическую формацию через точку контакта наконечника с внутренней стенкой нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны, и по меньшей мере один датчик, регистрирующий отклик геологической формации на излучаемый этим источником сигнал, расположены на роботизированных манипуляторах, прикрепленных к основному корпусу на разной высоте. По меньшей мере один роботизированный манипулятор выполнен с возможностью вращения в азимутальном направлении. Причем роботизированный манипулятор выполнен с возможностью управления посредством системы управления контактным усилием наконечника с помощью пружинной системы или системы подвески или с возможностью управления посредством компьютера, микропрограммного обеспечения и/или операторского управления. Контактный наконечник закреплен на конце роботизированного манипулятора или внутри него и выполнен с возможностью вращения посредством фрикционного механизма или с помощью привода. Кроме того, контактный наконечник выполнен из металла или композитного материала, или полимерного вещества, или из их комбинаций. По меньшей мере один источник излучения, обеспечивающий излучение сигнала в геологическую формацию, одновременно является датчиком, регистрирующим отклик геологической формации на излученный сигнал. По меньшей мере один источник излучения представляет собой источник акустического или электромагнитного, или радиоактивного излучения. Контактный наконечник по меньшей мере одного роботизированного манипулятора содержит комбинацию источников излучения разного типа. При использовании двух и более роботизированных манипуляторов их наконечники снабжены источниками излучения разного типа. По меньшей мере один датчик выполнен из пьезоэлектрического материала.
Заявляемый измерительный зонд представляет собой новый механизм внутрискважинного контактного взаимодействия без скольжения. Новая схема внутрискважинного контактного взаимодействия позволяет обеспечивать плотный точечный или линейный контакт при перемещении измерительного прибора с одним датчиком или набором датчиков к внутренней стенке ствола нефтегазовой скважины или обсадной колонны. Датчик может быть преобразователем, приемником или сочетать обе эти функции.
Измерительный зонд для нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны состоит из корпуса, несущего всю измерительную систему. К корпусу крепятся одиночные или множественные роботизированные манипуляторы. Манипуляторы оборудованы вращающимися контактными наконечниками полигональной или округлой формы и обеспечивают контакт наконечников со стенкой ствола нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны. В процессе перемещения измерительного зонда вдоль скважины вращающиеся наконечники поворачиваются с обеспечением последовательного контакта вершин многоугольника со стенкой ствола скважины и/или обсадной колонны без проскальзывания. Последовательный контакт представляет собой постепенный поочередный контакт каждой точки поверхности наконечника со стенкой ствола скважины и/или обсадной колонны за счет постепенного поворота наконечника путем его вращения. Контактное усилие относительно стенки ствола скважины и/или обсадной колонны контролируется роботизированным манипулятором (манипуляторами). Такая схема обеспечивает плотный точечный или линейный контакт. Конструкция вращающихся контактных наконечников включает простые, однокомпонентные или комплексные, множественные датчики. Датчик может быть преобразователем, приемником, сочетать обе эти функции или представлять собой окно (окна) для излучения/приема сигнала. Датчик включает в себя один или множество элементов, к которым относятся акустические, радиоактивные, электромагнитные и другие устройства.
К акустическим средствам относятся ультразвуковые, звуковые, сейсмические, оптоакустические и т.д. Поскольку проблема, связанная со стыковочными узлами, играет ключевую роль в акустических измерениях, прямая стыковка ствола скважины способна обеспечить возможность реализации следующих функций: очень высокий уровень эффективности передачи/приема энергии, возможность векторных измерений, минимизация эффектов, связанных с перемещением скважинного прибора, измерение медленного сдвига без скважинной моды и т.д. При дополнении акустики другими физическими компонентами, например измерениями, которые требуют коррекции с учетом окружающей скважинной среды, электродными контактами, точечным, линейным или малым источником и т.д., с помощью данного механизма достигаются существенные преимущества. Кроме того, возможно применение пьезоэлектрического материала в электрических преобразователях давления (или усилия), а также оптических (оптоакустических, оптоэлектронных и т.д.) преобразователей.
Высокоточные роботизированные манипуляторы контактируют со стенками нефтегазовой скважины или обсадной колонны посредством вращающихся наконечников. В точках контакта осуществляется излучение сигнала непосредственно в геологическую формацию через точку (точки) контакта. Отклик геологической формации на сигнал регистрируется датчиками на других (или тех же) высокоточных роботизированных манипуляторах и/или соответствующим образом устроенными датчиками, которые могут располагаться выше или ниже положения, в котором производится излучение сигнала.
Использование роботизированных манипуляторов обеспечивает необходимое контактное усилие и контроль положения датчиков относительно стенки ствола нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны в процессе перемещения измерительного зонда вверх или вниз по скважине. Такое точное управление оптимизирует сопряжение датчиков с точки зрения лучшей регистрации и передачи сигналов.
Роботизированные манипуляторы могут также быть приспособленными для азимутального вращения. Это может быть один или более манипуляторов, вращающихся в азимутальном направлении. Азимутальное вращение для статического положения измерительного зонда в нефтегазовой скважине и/или обсадной колонне может использоваться для более детального сканирования окружающей формации, что может быть напрямую применено для оценки анизотропии, оценки напряжения или других характеристик формации в зависимости от природы используемых сигналов.
Для случая азимутального вращения, в то время как измерительный зонд движется вдоль нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны, движение роботизированных манипуляторов может становиться спиральным, что увеличивает диапазон покрытия, и также может сократить число роботизированных манипуляторов, необходимых для измерений. Такое движение получается из-за комбинаций азимутального вращения роботизированных манипуляторов и вертикального перемещения корпуса измерительного зонда вверх или вниз по нефтегазовой скважине и/или обсадной колонне.
Система управления может быть пассивной, активной или сочетать в себе оба эти механизма. Пассивное управление обеспечивается, например, пассивной системой управления контактным усилием датчика посредством пружинной системы или системы подвески. Средства активного управления, например, представляют собой систему, которая включает в свой состав датчики и их обратную связь с целью управления роботизированным манипулятором для обеспечения контактного усилия, необходимого для наилучших условий проведения измерений. Средства управления представляют собой, например, компьютер, микропрограммное обеспечение и/или операторское управление, а также запрограммированную последовательность. Роботизированный манипулятор (манипуляторы) отслеживает изменения размеров нефтегазовой скважины подобно скважинному профилометру в процессе перемещения измерительного зонда внутри нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны до/после скважинных измерений.
Вращающиеся контактные наконечники представляют собой концевые узлы, прикрепленные к механическим манипуляторам, которые контактируют со стенками ствола нефтегазовой скважины и/или обсадной колонны, и на которых располагаются датчики, являющиеся источниками и/или приемниками излучения. Пример исполнения вращающегося контактного наконечника см.:
http://www.slb.com/content/services/evaluation/wireline/tufftrac.asp
Вращающиеся наконечники в зависимости от скважинных условий для обеспечения наилучшего контакта при перемещении измерительного зонда могут иметь различную форму: от округлой до многоугольной. Материал для вращающихся наконечников выбирается в зависимости от скважинных условий с обеспечением наибольшей эксплуатационной гибкости для проведения измерений с приемлемой точностью при различных условиях. Материалом может служить металл, композиты, органические/полимерные вещества и/или их комбинации. Вращающиеся наконечники могут крепиться на концах механических манипуляторов, внутри них или использовать их в качестве суппортов. Вращение может достигаться посредством фрикционного механизма или с помощью привода, например, двигателя. Это обеспечивает оптимальный точечный/линейный контакт с геологической формацией или обсадной колонной. Полигональные вращающиеся наконечники снижают уровень поверхностных шумов и уменьшают повреждение внутрискважинной поверхности.
Датчики представляют собой устройства, которые излучают и принимают сигналы в направлении формации, обсадной колонны и границы формации/цемента через обсадную колонну. Датчики располагаются или используются для измерений посредством вращающихся наконечников. Излучатели могут приводиться в действие механическим позиционированием или запускаться системой управления. Датчики могут быть акустическими, радиоактивными или электромагнитным. К акустическим средствам относятся ультразвуковые, звуковые, сейсмические, оптоакустические и т.д. Радиоактивные средства включают химические источники, радиоактивные источники и т.д. Электромагнитные датчики в свой состав включают датчики электрического тока, напряжения, индукции, оптоэлектрические датчики и т.д. Конкретный пример одного из применяемых датчиков см.:
http://www.npp-geofizika.ru/pr_gg3.html
Принцип работы и устройства оптоакустических датчиков представлен в (см.):
http://window.edu.ru/window_catalog/files/r20381/9801_095.pdf
Поскольку проблема, связанная со стыковочными узлами, играет ключевую роль в акустических измерениях, прямая стыковка ствола нефтегазовой скважины способна обеспечить возможность реализации следующих функций:
1) эффективная передача/прием энергии;
2) возможность векторных измерений;
3) минимизация эффектов, связанных с перемещением скважинного прибора;
4) измерение медленного сдвига без скважинной моды;
5) точное позиционирование источника/приемника по глубине;
6) устранение эффектов, связанных с отсутствием прямого соединения (изменения акустических мод, обусловленные скважинными условиями и геометрией скважины, головная волна и т.д.);
7) очень высокое качество применяемого к геологической формации возбуждения, что обеспечивает лучшие результаты при обработке сигнала в процессе интерпретации;
8) упрощение механизма возбуждения/распространения акустических волн, более простое моделирование и прогнозирование отклика объекта (например, продуктивного пласта, обсадной колонны, цемента, а также их комбинации).
Например, в случае акустических измерений с использованием оптоакустического принципа свет (лазер) порождает волны теплового сжатия и расширения, которые индуцируют напряжения в геологической формации. Этот свет модулируется, и частота волн напряжений соответствует модулируемому свету. Данные волны перемещаются в геологической формации и могут восприниматься приемниками, которые расположены в корпусе прибора и другим манипулятором, в устройстве которого используется инверсия оптоакустического принципа, для измерения изменения оптических свойств формации, обусловленных акустическими волнами в формации (акустооптический эффект). Поскольку оптический сигнал в скважине легко ослабляется, если он проходит через скважинный флюид, схема настоящего изобретения может существенно повысить возможности измерений.
При дополнении акустики другими физическими компонентами, например измерениями, которые требуют коррекции с учетом окружающей скважинной среды, электродными контактами, точечным, линейным или малым источником и т.д. с помощью данного механизма достигаются существенные преимущества. Кроме того, возможно применение пьезоэлектрического материала в электрических преобразователях давления (или усилия), а также оптических (оптоакустических, оптоэлектронных и т.д.) преобразователей.
Предложение соответствует критерию «промышленная применимость», поскольку его осуществление возможно при использовании существующих средств производства с применением известных технологий.