СКВАЖИННЫЙ ИМПЛОЗИВНЫЙ ИСТОЧНИК СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
IMPLOSIVE DOWNHOLE SEISMIC SOURCE

Суть изобретения
Использование: при строительстве и эксплуатации скважин и для возбуждения сейсмических волн из скважин при проведении сейсмической разведки в процессе бурения.
Устройство содержит: жестко закрепленный над забойным двигателем полый корпус со смещенным осевым отверстием и наружным открытым карманом, в верхней части которого выполнено осевое отверстие для прохода вала от винтового привода поршня зачистки имплозивной камеры. Камера жестко крепится в кармане. Поршень зачистки с возможностью возвратно-поступательного движения уплотнен в гильзе и свободно насажен и уплотнен на штоке и ограничен в осевом перемещении двумя стопорными винтами, завернутыми в шток, и продольными отверстиями в юбке поршня, в которых находятся головки стопорных винтов. Имплозивная камера снизу закрыта глухим дном с обратным клапаном, а в верхней части имеет четыре продольных открытых с торца окна. Шток поршня зачистки с внутренним осевым отверстием, в котором свободно установлен вал привода закрыт съемной боковой верхней крышкой, которая жестко крепится к нему и своими боковыми торцами прилегает к боковым стенкам кармана корпуса, чем предохраняет шток от проворачивания вокруг своей оси. Приводной вал, на котором выполнена бесконечная винтовая канавка с переходом с правой нарезки на левую в верхнем и нижнем ее концах, входит в зацепление с поводком, свободно установленным в радиальное отверстие в съемной крышке штока. Приводной вал своим верхним концом свободно на уплотнениях установлен в осевое отверстие, соединяющее карман с внутренней полостью корпуса, и от осевого смещения предохраняется упорными подшипниками, установленными над и под перегородкой и закрытыми уплотненными втулками при помощи стопорных гаек. Внутри камеры под поршнем зачистки свободно с большим радиальным зазором установлен боек, который выполнен с несколькими пружинными зацепами, расположенными в верхней его части с возможностью взаимодействовать с внутренней проточкой в осевом отверстии поршня зачистки. Окна камеры находятся в открытом положении, когда поршень зачистки находится в крайнем верхнем положении. Внутри верхней полости корпуса к верхнему концу приводного вала жестко крепится выходной вал винтового гидравлического двигателя, который жестко крепится к корпусу. Подачу рабочей жидкости к двигателю обеспечивает пусковой клапан, управляемый отсеком привода и регистрации, который при помощи автономного питания открывает и закрывает клапан подачи рабочей жидкости из общего канала в двигатель. В отсеке установлена автономная сейсмостанция с внутренними часами и блок управления, который проводит по команде, принятой от пульсатора управления, установленного на устье скважины, по гидравлическому каналу пуски и остановки записи получаемых станцией опорных сигналов одновременно с пуском и остановкой двигателя.
Технический результат: достижение многократного повторения сейсмического импульса при строительстве наклонных и горизонтальных скважинах без дополнительных работ по подъему колоны и без остановки бурения и использования минимального объема памяти носителя записываемых параметров.
Описание изобретения
Предлагаемое изобретение относится к устройствам для возбуждения сейсмических волн из скважин.
Известен скважинный источник патент РФ N 2166779, от 10.05.2001 (Классы патента G01V 1/135, G01V 1/52), выбранного за прототип, содержащий корпус, кабельный электрический ввод, управляемый клиновой прижим, приводной электродвигатель и силовозбудитель, выполнен в виде камеры с окнами в корпусе, которые перекрываются посредством кольцевого затвора, и снабжен поршнем возвратно-поступательного движения, причем привод перемещения поршня выполнен в виде ходового винта, подсоединенного через редуктор и управляемую муфту к валу электродвигателя, окна в корпусе размещены в нижней части камеры, а затвор, поджатый пружиной, зафиксирован защелкой, сопряженной с якорем спускового электромагнита, и над поршнем со стороны, противоположной рабочей камеры, размещена газовая полость. Это очень сложное механическое устройство, использующее электрический двигатель, редуктор, управляемую двухпозиционную муфту, электромагнитный способ включения источника в работу. Для работы с таким источником необходимо иметь грузонесущий кабель для подачи электрической энергии, что конструктивно при работе забойного двигателя, спущенного на трубах, почти неосуществимо или конструкция его выльется в очень сложный в изготовлении и эксплуатации агрегат.
Задачей изобретения является достижение производства многократного сейсмического импульса в сильно наклоненных и горизонтальных участках скважин при их строительстве без подъема на поверхность бурового инструмента и без остановки процесса бурения.
Положительный результат достигается тем, что устройство содержит: жестко закрепленный над забойным двигателем полый корпус со смещенным осевым отверстием и наружным карманом, в верхней части которого выполнено осевое отверстие для прохода вала от винтового привода поршня зачистки имплозивной камеры, которая жестко крепится в кармане корпуса. Поршень зачистки с возможностью возвратно-поступательного движения уплотнен в гильзе и свободно насажен и уплотнен на штоке, и ограничен в осевом перемещении двумя стопорными винтами, завернутыми в шток, и продольными отверстиями в юбке поршня, в которых находятся головки стопорных винтов. Имплозивная камера снизу закрыта глухим дном с обратным клапаном, а в верхней части имеет четыре продольных открытых с торца окна. Шток поршня зачистки с внутренним осевым отверстием, в котором свободно установлен вал привода, закрыт съемной боковой верхней крышкой, которая жестко крепится к нему и своими боковыми торцами прилегает к боковым стенкам кармана корпуса, чем предохраняет шток от проворачивания вокруг своей оси. Приводной вал, на котором выполнена бесконечная винтовая канавка с переходом с правой нарезки на левую в верхнем и нижнем ее концах, входит в зацепление с поводком, свободно установленным в радиальное отверстие в съемной крышке штока. Приводной вал своим верхним концом свободно на уплотнениях установлен в осевое отверстие, соединяющее карман с внутренней полостью корпуса, и от осевого смещения предохраняется упорными подшипниками, установленными над и под перегородкой и закрытыми уплотненными втулками при помощи стопорных гаек. Внутри камеры под поршнем зачистки свободно с большим радиальным зазором установлен боек, который выполнен с несколькими пружинными зацепами, расположенными в верхней его части с возможностью взаимодействовать с внутренней проточкой в осевом отверстии поршня зачистки. Окна камеры находятся в открытом положении, когда поршень зачистки находится в крайнем верхнем положении. Внутри верхней полости корпуса к верхнему концу приводного вала жестко крепится выходной вал винтового двигателя, который жестко крепится к корпусу. Подачу рабочей жидкости к двигателю обеспечивает пусковой клапан, управляемый отсеком привода и регистрации, который при помощи автономного питания открывает и закрывает клапан подачи рабочей жидкости из общего канала в двигатель. В отсеке установлена автономная сейсмостанция с внутренними часами и блок управления, который проводит по команде, принятой от пульсатора управления, установленного на устье скважины, по гидравлическому каналу пуска и остановки записи получаемых станцией опорных сигналов одновременно с пуском и остановкой двигателя.
В процессе бурения, когда необходимо провести сейсмические исследования, с пульсатора на устье скважины по рабочей жидкости подается кодированный сигнал на открытие пускового клапана и начало записи параметров с автономной сейсмостанции в отсеке. Поршень зачистки в это время может находиться в любом положении. Вал привода, вращаясь, будет перемещать поршень зачистки из крайнего нижнего в крайнее верхнее положение или в противоположную сторону посредством поводка, который будет толкать шток то вверх, то вниз, поворачиваясь в крайних проточках, соединяющих винтовые канавки с правой и левой нарезкой на валу. Нагрузка на сухарь при движении вверх будет равна силе от гидростатического давления на поршне, при движении вниз она будет равна силе трения поршня о стенки камеры и вала о шток. При движении поршня из крайнего нижнего положения вверх он будет удерживать боек посредством пружинного захвата.
В момент, когда поршень зачистки начнет открывать окна, скважинная жидкость под давлением начнет врываться в полость между поршнем зачистки и бойком, и давлением потока отсоединит боек от поршня зачистки, и сдвинет поршень по штоку вверх, и резко откроет окна. Под поршнем зачистки будет разряжение, заполненное парами жидкости. Боек, толкаемый потоком жидкости с большой скоростью (на глубине 3000 м она примерно равна 147 м/с), вместе с потоком ударится о дно камеры. Поток жидкости резко остановится, произойдет гидравлический удар, кинетическая энергия потока жидкости перейдет в энергию ударного давления, для камеры из трубы диаметром 70 мм и толщиной стенки 7 мм это будет давление примерно равное 116 МПа. Использование бойка увеличивает силу удара примерно в 2 раза, так как его масса при принятых размерах примерно равна массе движущейся в камере жидкости. Заполнение камеры по времени занимает менее 0,01 с. Угловая скорость двигателя (порядка 3 об/с) при шаге винтовой канавки 30 мм обеспечит движение полного хода (порядка 300 мм) за 3,3 с. Далее поршень движется вниз и вытесняет из камеры жидкость через обратный клапан в дне крышке. В крайнем нижнем положении поршень захватит пружинным захватом боек и при обратном движении поднимет его вверх. Следующий сигнал произойдет при следующем открытии окон. Для остановки источника необходимо дать кодированный сигнал пульсатором на закрытие пускового клапана и остановку записи параметров с сейсмостанции. Для работы двигателя привода, к примеру для винтового ДТ-76.4/5.20, необходим расход 3 л/с, а расход жидкости, идущей на забойный двигатель, обеспечивающий бурение, идет порядка 30 л/с. Включение источника незначительно снизит скорость бурения, также время работы источника составляет не более 10 минут.
Данное устройство проще по своей конструкции и по управлению пуска и подготовки к следующему пуску по сравнению с известными аналогами, оно не требует подъема колоны труб с инструментом на поверхность, не требует остановки процесса бурения, может быть использовано на сильно наклоненных и на горизонтальных участках скважин. Также оно позволяет оптимально использовать весь объем памяти регистрирующих блоков.
На фиг.1 изображен продольный разрез устройства; на фиг.2 изображен поперечный разрез по окнам камеры; фиг.3 - поперечный разрез по оси поводка привода.
Устройство содержит жестко закрепляемый над забойным двигателем полый корпус 1 со смещенным осевым отверстием 2 и наружным карманом 3, в верхней части которого выполнено осевое отверстие для прохода вала 4 от винтового привода поршня зачистки 5 имплозивной камеры 6. Камера 6 жестко крепится в кармане 3 корпуса 1 хвостовиком 7. Поршень зачистки 5 с возможностью возвратно-поступательного движения уплотнен в гильзе 8 и свободно насажен и уплотнен на штоке 9 и ограничен в осевом перемещении двумя стопорными винтами 10, завернутыми в шток 9, и продольными пазами 11 в юбке поршня 5, в которых находятся головки стопорных винтов 10. Имплозивная камера 6 снизу закрыта дном 12 с обратным клапаном 13, а в средней части имеет четыре продольных открытых с торца окна 14. Шток 9 поршня зачистки 5 своим верхним полым концом свободно надет на нижний конец приводного вала 4, на котором выполнена бесконечная винтовая канавка 15 с переходом с правой нарезки на левую в верхнем и нижнем ее концах. Канавка 15 входит в зацепление с поводком 16, свободно установленным в радиальном отверстии крышки 17, которая обхватывает вал 4 и жестко крепится к верхней части штока 9. Свободные сопряжения приводного вала 4 с отверстием в корпусе 1 поршня 5 с гильзой 8 уплотнены кольцами. Внутри камеры 6 под поршнем зачистки 5 свободно с большим радиальным зазором установлен боек 18, который выполнен с несколькими пружинными зацепами 19, расположенными в верхней его части с возможностью взаимодействовать с внутренней проточкой в осевом отверстии поршня зачистки 5. Окна 14 находятся в открытом положении, когда поршень зачистки 5 находится в крайнем верхнем положении. Вал 4 привода относительно корпуса 1 ограничен в осевом перемещении двумя упорными подшипниками 20, которые установлены на нем один под защитной втулкой 21 над буртом 22, а второй над стенкой корпуса 1 при помощи гаек 23 и защитной втулки 24. Внутри верхней полости 25 корпуса 1 к верхнему концу приводного вала 4 жестко крепится выходной вал 26 винтового двигателя 27 посредством муфты 28. Остов двигателя 27 жестко крепится к корпусу 1. Подачу рабочей жидкости к двигателю 27 обеспечивает пусковой клапан 29, управляемый аппаратурой отсека 30 привода и регистрации, который при помощи автономного питания открывает и закрывает пусковой клапан подачи рабочей жидкости из общего канала в двигатель 27. В отсеке установлена автономная сейсмостанция с внутренними часами и блок управления, который проводит по команде, принятой по гидравлическому каналу от пульсатора управления, установленного на устье скважины, пуски и остановки записи получаемых станцией опорных сигналов одновременно с пуском и остановкой двигателя 27. Выход рабочей жидкости из двигателя 27 производится в скважинное пространство через осевой канал 31 в валу 4 и радиальные каналы 32 в валу 4 и канал 33 в корпусе 1. Устройство крепится к колоне буровых труб 34.
В исходном состоянии, как изображено на чертежах, внутренняя полость камеры 6 заполнена скважинной жидкостью через зазоры между бойком 18 и гильзой 8. В процессе бурения, когда необходимо провести сейсмические исследования прилегающих к скважине пластов, пульсатором на устье скважины по рабочей жидкости подается кодированная команда на открытие пускового клапана 29 и на начало записи параметров с автономной сейсмостанции в отсеке 30. Вал 26 двигателя 27 совместно с валом 4, вращаясь, будут перемещать поршень зачистки 5 из крайнего верхнего в крайнее нижнее положение посредством поводка 16, опираясь на который своей канавкой 15 вал 4 будет толкать шток 9 с поршнем 5. При движении вниз поршень 5 перекроет окна 14 в гильзе 8 и начнет выдавливать жидкость из камеры 6 через обратный клапан 13 в скважинное пространство. Дойдя до крайнего нижнего положения, шток 9 начнет движение вверх, так как поводок 16 перейдет на обратную канавку 17. В начальный момент движения шток 9 вверх будет двигаться относительно поршня 5, пока не упрется винтами 10 в торцы пазов 11. При движении поршня 5 из крайнего нижнего положения вверх, он будет удерживать боек 18 посредством пружинного захвата 19. В момент, когда поршень зачистки 5 начнет открывать окна 14, скважинная жидкость под давлением начнет врываться в полость между поршнем зачистки 5 и бойком 18, и своим потоком отсоединит боек 18 от поршня зачистки 5, и сдвинет поршень 5 по штоку 9 вверх, и резко откроет окна 14. Под поршнем зачистки 5 будет разряжение, заполненное парами жидкости. Боек 18, толкаемый потоком жидкости, вместе с потоком ударится о дно 12 камеры 6. Поток жидкости резко остановится, произойдет гидравлический удар, кинетическая энергия потока жидкости перейдет в энергию ударного давления. Ударная волна несколько раз пройдет по гильзе 8 и по жидкости, прежде чем полностью погаснет. Заполнение камеры 6 и сам сигнал по времени занимают очень короткий промежуток и потому шток 9 начнет движение вниз уже после сигнала. Далее поршень 5 при движении вниз вытеснит из камеры жидкость через обратный клапан 13 в дне 12. В крайнем нижнем положении поршень 5 захватит пружинным захватом 19 боек 18 и при обратном движении поднимет его вверх. Следующий сигнал произойдет при следующем открытии окон 14. Для остановки работы источника необходимо дать кодированную команду пульсатором на закрытие пускового клапана 29 и остановку записи параметров с сейсмостанции.