СИСТЕМА НЕПРЕРЫВНОГО ОТБОРА КЕРНА

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к буровому инструменту, в частности к устройствам для бурения нефтегазодобывающих скважин с отбором керна и сохранением пластовой среды.
Предпосылки для создания полезной модели.
Анализ существующего уровня техники в данной области показал следующее.
Известен керноотборный снаряд (патент РФ №2049220. Е 21 В 25/08). содержащий:
- корпус с верхним переводником для соединения с колонной труб и коронкой:
- кожух в виде трубы с верхним и нижним узлами герметизации, размещенный в корпусе и снабженный регулируемой подвеской, узлом поджатая и стаканом, установленным в коронке;
- керноприемник, выполненный в виде трубы и снабженный в верхней части опорой вращения, размещенной в кожухе:
- узел отделения керна от забоя;
- регистраторы захода керна;
- изолирующую жидкость в полостях кожуха и керноприемника.
К недостаткам известного керноотборного снаряда следует отнести несовершенство и сложность конструкции, обусловленные наличием кожуха - дополнительной третьей трубы, размещенной в зазоре между корпусом и керноприемником. Тем самым, у известного керноотборного снаряда снижается один из существенных эксплуатационных параметров, влияющих на успешность выноса керна, а именно коэффициент керноотбора Кк - величина, равная отношению диаметра керна к диаметру скважины.
Известен керноотборный снаряд (патент РФ №2252307, Е21В 25/08), содержащий:
- корпус с верхним переводником и коронкой в нижней части;
- керноприемник, выполненный в виде трубы и снабженный в верхней части регулируемой подвеской и опорой вращения, содержащей корпус с подшипниками и осью;
- верхний узел герметизации, содержащий пробку с уплотнением, перекрывающую канал, выполненный в оси опоры вращения;
- узел отделения керна от забоя, включающий гильзу, связанную байонетным соединением с нижней частью керноприемника, и установленные в гильзе подвижные рычажковый и цанговый кернорватели и втулку между ними;
- нижний узел герметизации в виде разрушаемой диафрагмы, установленной в стакане, соединенном с нижней частью гильзы и подвижно взаимодействующим с расточкой, выполненной в коронке;
- причем полость керноприемника заполнена изолирующей жидкостью на неводной основе с антифрикционными свойствами и плотностью, меньшей плотности бурового раствора.
Недостатком известного керноотборного снаряда является возможность снижения выноса керна, связанная с его заклиниванием в узле отделения керна, особенно при его отборе в разрезах скважин с чередованием пластов, перемежающихся по прочности, так и весьма трещиноватыми рыхлыми и рассыпающимися породами. При входе коронки в пласт, сложенный неконсолидированными породами, предел текучести которых меньше напряжений сжатия, возникающих от давления выше расположенной колонки керна, возможно смятие вновь выбуриваемого керна и вместо сформированной цилиндрической колонки в отверстие бурголовки будут поступать мелкие обломки и сыпучая масса разрушенной горной породы. А так как от давления вышерасположенной колонки керна эта бесформенная масса будет расширяться, увеличивая свой диаметр, то после выхода из отверстия бурголовки в стакан и далее в узел отделения керна, где установлены кернорватели, эта сыпучая масса, расширяясь, заполнит все зазоры, и за счет как внутреннего трения между частицами разрушенной горной породы, так и за счет трения о стенки кернорвателей и их рабочие элементы, будет препятствовать свободному продвижению вновь выбуриваемого керна.
В результате этого процесса в бурголовке и нижней зоне узла отделения будет сформирована уплотненная пробка и произойдет ее заклинивание с герметичным перекрытием входа в керноприемник, заполненный изолирующей жидкостью. Поэтому дальнейшее бурение будет происходить сплошным забоем, так как вновь выбуриваемый керн будет разрушаться путем перетирания на забое образовавшейся пробкой и размываться струями бурового раствора, превращаясь в шлам, в результате чего будет снижен вынос керна.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является принятый нами в качестве прототипа снаряд керноотборный, предназначенный для отбора и доставки на поверхность керна при бурении нефтяных и газовых скважин (НПП «Буринтех», Снаряд керноотборный, СК-178/100, Руководство по эксплуатации, Уфа 2011, копия прилагается).
Рабочая схема керноотборного снаряда СК-178/100 приведена на фиг.1.
Снаряд керноотборный содержит корпус 1, подвеску керноприемной трубы 2, керноприемную трубу 3, узел кернорвателей 4 и бурильную головку 5.
При проведении работ по отбору керна бурильная головка 5 образует столбик керна, который проходит через узел кернорвателей 4, разжимая цанговый кернорватель и поднимая лепестки рычажкового кернорвателя (на фиг.1. не обозначены), поступает в керноприемную трубу 3. После окончания выбуривания массива горной породы при помощи кернорвателей 4 производится отрыв столбика керна от забоя и подъем образцов породы на поверхность. При отборе изолированного керна, керноприемная труба 3. заполняется изолирующей жидкостью, ограничивающей контакт керна с буровым раствором. Внутреннее пространство керноприемной трубы 3, заполненное изолирующим агентом, сверху перекрывается заглушкой, снизу - пластиковой диафрагмой (на фиг.1. не указаны).
Недостатками известного керноотборного снаряда является возможность бурения сплошным забоем при заклинивании, что приводит к отклонению от заданного интервала отбора керна, особенно при его отборе в разрезах скважин с чередованием пластов, смешанных по прочности. Это обусловлено тем, что нагрузка от веса колонки керна, поступившей в процессе бурения в керноприемник. воспринимается на забое вновь формируемым керном. В настоящее время отбор керна происходит практически «вслепую», так как специалисты во время ведения данных работ не получают какую-либо информацию о возможном заклинивании и вообще о состоянии изменения керна в керноприемной трубе. Таким образом, к основным недостаткам можно отнести следующие: из-за заклинивания керна в процессе отбора бурение может происходить сплошным забоем, понижается вынос керна и теряется интервал отбора керна. Следовательно вышеперечисленные недостатки становятся результатом следующих проблем: во-первых, снижается процент отбираемого керна, во-вторых, увеличиваются непроизводительные затраты времени, что значительно отражается на экономической эффективности всего процесса бурения, в-третьих, нарушается заданный интервал отбора керна, что главным образом отражается на качестве отбираемого керна.
Задачей полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей системы, обеспечение непрерывного отбора и сохранение заданных интервалов отбора керна, повышение качества отбираемого керна и получение на поверхности информации о работе и состоянии системы.
Поставленная задача решается предлагаемой системой непрерывного отбора керна, которая включает керноотборный снаряд и содержит корпус, подвеску керноприемной трубы, керноприемную трубу, узел кернорвателей и бурильную головку.
Новым является то, что система оборудована блоком контроля отбора керна, включающая датчик измерения уровня керна (уровнемер) в керноприемной трубе и систему передачи данных. Система непрерывного отбора керна позволяет реализовать непрерывный отбор керна (100%) и позволяет информировать о возможном заклинивании в процессе отбора, независимо от рода сложности пород, что дает возможность принять правильное решение и сэкономить значительное количество времени. Данная система позволяет контролировать процесс отбора керна непосредственно на поверхности скважины и в случае заклинивания получить об этом информацию и иметь возможность устранить данную проблему.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где на:
- фиг.1. дана существующая рабочая схема керноотборного снаряда;
- фиг.2. предлагаемая система непрерывного отбора керна.
Система непрерывного отбора керна (фиг.2.), включает керноотборный снаряд и содержит корпус 1, подвеску керноприемной трубы 2, керноприемную трубу 3, узел кернорвателей 4, бурильную головку 5 и блок контроля отбора керна 8 с уровнемером 7 и системой передачи данных 6.
Система непрерывного отбора керна работает следующим образом:
Перед спуском в скважину производится подготовка снаряда, заключающаяся в сборке. Последовательность действий при сборке описана ниже.
Сборка керноотборного снаряда (из транспортного положения):
Во-первых необходимо уложить на мостках верхнюю и нижнюю секции, отвернуть и снять с верхней секции предохранительный колпак и переводник керноприемной трубы 3. Во-вторых, отвернуть и снять с нижней секции нижний переводник корпуса 1 и компоновку кернорвателей 4 и установить компоновку кернорвателей 4 и нижний переводник корпуса 1 на верхнюю секцию. В-третьих, между подвеской керноприемной трубы 2 и кернопремной трубой 3 установить блок контроля отбора керна 8, для этого необходимо соединить данный блок с керноприемной трубой 3 и убедиться, что нижняя резьба блока 8 надежно закреплена, после чего опустить и разгрузить керноприемную трубу 3 через ключ или хомут па корпус 1 снаряда. В-четвертых, затащить верхнюю секцию на буровую и в обычном порядке установить на корпус 1 снаряда бурильную головку 5. после чего спустить снаряд.
При проведении работ по отбору керна бурильная головка 5 образует столбик керна, который проходит через узел кернорвателей 4 и поступает в керноприемную трубу 3. Уровнемер 7, установленный наверху керноприемной трубы 3 фиксирует текущее значение уровня керна, поступающего в процессе бурения, в керноприемную трубу 3 и формирует сигнал, который с помощью системы передачи данных 6 передается на поверхность для информирования специалистов о текущем значении уровня керна в керноприемной трубе 3.
Датчик уровня уровнемера 7 устанавливается наверху керноприемной трубы 3. Микроволновой генератор датчика уровня уровнемера 7 формирует звуковой сигнал, частота которого изменяется во времени по линейному закону (линейный частотно-модулированный сигнал). Этот сигнал излучается в направлении керна, отражается от него и часть сигнала, через определенное время, зависящее от скорости света, возвращается обратно в антенну (на фиг.2 не показана).
Разница частоты переданного и отраженного сигнала пропорциональна времени распространения электромагнитной волны до керна и обратно. Зная, что скорость распространения волны равна скорости света и зная время распространения можно легко вычислить расстояние от антенны до текущего уровня керна.
После окончания выбуривания массива горной породы при помощи кернорвателей 4 производится отрыв столбика керна от забоя и подъем образцов породы на поверхность.
Во вторичном блоке контроля отбора керна реализована программа, которая работает по следующему алгоритму:
- При изменяющемся значении уровня керна в керноприемной трубе, система информирует о положительном процессе отбора керна;
- При постоянном значении уровня керна в керноприемной трубе, система информирует о не поступлении керна в керноприемник и о возможном заклинивании.
Преимущества предлагаемого решения:
- Возможность непрерывного отбора керна и информирование о возможных заклиниваниях;
- Сокращение материальных затрат и времени;
- Сохранение заданного интервала отбора керна и повышение выноса керна;
- Минимальное участие человека, что крайне актуально в нефтегазовом деле.