СКВАЖИННЫЙ ИМПЛОЗИВНЫЙ ИСТОЧНИК СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
WELL IMPLOSIVE SOURCE OF SEISMIC OSCILLATIONS

Суть изобретения
Использование: при строительстве и эксплуатации скважин и для возбуждения сейсмических волн из скважин при проведении сейсмической разведки.
Устройство содержит: жестко закрепленный над забойным двигателем, полый корпус с поршнем на штоке квадратного или шестигранного сечения. Поршень с возможностью возвратно-поступательного движения уплотнен в гильзе, которая жестко крепится к колонне бурильных труб, а нижняя крышка гильзы имеет отверстие квадратного или шестигранного сечения для обеспечения свободного прохода штока и передачи крутящего момента. В корпусе выполнены открытые карманы, в которые устанавливаются рабочие имплозивные камеры и отсеки регистрации сигнала. Имплозивные камеры снизу закрыты крышками с обратным клапаном, а сверху - крышками с осевым отверстием, через которое свободно проходит шток поршня зачистки, жестко на нем закрепленный. Шток поршня зачистки своим верхним концом жестко крепится к крышке гильзы. 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. Камеры в верхней части имеют окна, которые находятся в открытом положении, когда поршни зачистки находятся в крайнем верхнем положении. Все детали устройства, кроме бойка, выполнены из немагнитных материалов. Перемещение бойка по высоте камеры отмечается чувствительными элементами в отсеках регистрации. Также в отсеках установлены датчик давления и сейсмический регистратор с внутренними часами и электронные блоки записи параметров, получаемых с датчика давления, сейсмического датчика и с внутренних часов.
Технический результат: достижение многократного повторения сейсмического импульса при строительстве наклонных и горизонтальных скважинах и использования минимального объема памяти носителя записываемых параметров.
Описание изобретения
Предлагаемое изобретение относится к устройствам подачи долота для бурения и к устройствам для возбуждения сейсмических волн из скважин.
Известны следующие подобные устройства: устройство для подачи долота (Вольгемут Э.А. и др. «Устройства подачи долота для бурения нефтяных и газовых скважин». М.: Недра, 1969, 159-160) и «Устройство подачи долота для бурения скважин» по авторскому свидетельству №1663167, от 27.05.87. Эти устройства передают нагрузку на долото при помощи использования перепада давления рабочей жидкости на забойном двигателе, но не имеют возможности создавать сейсмические волны.
Известен скважинный источник патент РФ N2166779, от 10.05.2001 (Классы патента: G01V 1/135, G01V 1/52), выбранный 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 камере, 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.
Положительный результат достигается тем, что устройство содержит гильзу, крепящуюся к бурильной колонне; полый корпус со штоком квадратного или шестигранного сечения, на котором жестко закреплен поршень, свободно с уплотнением, установленный в гильзу и ограниченный в осевом перемещении и во взаимном проворачивании нижней крышкой гильзы. В корпусе выполнены открытые карманы, в которые устанавливаются и крепятся к корпусу рабочие камеры и отсеки регистрации сигнала. Каждая камера снизу закрыта крышкой с обратным клапаном, а сверху - крышкой с осевым отверстием, через которое свободно проходит шток поршня зачистки, жестко на нем закрепленный. Шток поршня зачистки своим верхним концом жестко крепится к крышке гильзы. 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. В верхней части стенок камеры выполнены окна, которые при крайнем верхнем положении поршня зачистки полностью открыты. Все детали устройства, кроме бойка, выполнены из немагнитных материалов. Перемещение бойка по высоте камеры отмечается чувствительными элементами в отсеках регистрации. Также в отсеках установлены датчик давления и сейсмический регистратор с внутренними часами и электронный блок управления включением и отключением записи параметров с датчика давления и с сейсмического регистратора.
зач
пз
пз
пр
3
3
Открываются и закрываются окна камер каждая своим поршнем зачистки при его возвратно-поступательном движении относительно корпуса. Осевое усилие на долото создается весом забойного двигателя, утяжеленными буровыми трубами под устройством, гидравлической силой, создаваемой перепадом давления на поршне и частью веса колонны бурильных труб. При бурении поршень находится в крайнем верхнем положении и гильза своей нижней крышкой упирается в торец корпуса. При этом шток с поршнем зачистки и бойком находятся в крайнем нижнем положении и удерживаются между собой пружинными захватами. Полость каждой камеры заполнена скважинной жидкостью через открытые окна и радиальные зазоры между поршнем и стенкой камеры и бойком и стенкой камеры. Для произведения сейсмического сигнала колонну труб с максимально возможной скоростью при работающем забойном двигателе поднимают над забоем. При этом поршень под действием гидравлического усилия на нем и веса забойного двигателя будет выдвигаться из гильзы и тянуть за собой поршни зачистки с бойками, преодолевая усилие от перепада давления на них. Уплотнение поршня зачистки в трубе камеры щелевое. При скорости подъема 2 м/с время зачистки составит τ=h/2=0,3 с (к примеру h=0,6 м - ход поршня зачистки). Протечки жидкости в камеру за это время будут мизерные. Расход протечек через радиальный зазор составит при радиальном зазоре h=0,00005 м по формуле Гагена-Паузеля Q=hπdΔP/(12γρl)=0,0001375 м/с, где:
η=γρ=0,00282 Па·с - динамическая вязкость воды при 100°С,
ρ=1220 кг/м - плотность скважинной жидкости,
l=0,1 м - длина уплотняемой поверхности,
пз
d=0,048 м - диаметр рабочих протечек,
скв
ΔР=30 МПа - перепад давления на поршне.
кам
пр
зач
3
Объем протечек ΔV=Q·τ=0,00004 м=0,04 л, что в процентах к объему камеры (для принятого хода и диаметра - 1,1 л) составит 0,04·100/1,1=3,6%.
пр
3
Перепад давления, возникающий на бойке при ходе зачистки, когда через кольцевую щель проходит жидкость, поступающая через кольцевую щель на поршне зачистки, найдем из той же формулы ΔP=12γρlQ/(hπd)=3000 Пa, где h=0,001 м - радиальный зазор между бойком и стенкой камеры. Боек будет прочно держаться в поршне зачистки при ходе его вверх, так как усилие от этого перепада на нем составит 50 Н.
у
мах
3
Усилие четырех захватов сечением 2×10 мм и длиной 50 мм при деформации 2 мм будет Q=4·3Bλ/l=280 Н, где:
l=0,050 м - длина пружинного захвата,
h=0,002 м - высота сечения,
b=0,01 м - ширина сечения,
-5
E=2,14·10 MПa - модуль упругости пружиной стали при 100°С,
3
2
B=Ebh/12=1,456 Hм - жесткость пружины,
мax
λ=0,002 м - максимальный прогиб.
В момент, когда поршень зачистки начнет открывать окна, скважинная жидкость под давлением начнет врываться в полость между поршнем зачистки и бойком и своим потоком отсоединит его от поршня зачистки. Под поршнем зачистки будет разрежение, заполненное парами жидкости. Боек, толкаемый потоком жидкости со скоростью на глубине 3000 м, равной 147 м/с, вместе с потоком ударится о нижнюю крышку камеры. Движение бойка с высокой скоростью чувствительными элементами в отсеках будет отмечено, и блоки управления дадут команду на включение записи параметров с датчика давления и с сейсмического регистратора. Поток жидкости резко остановится, произойдет гидравлический удар, кинетическая энергия потока жидкости перейдет в энергию ударного давления, для камеры из трубы диаметром 57 мм и толщиной стенки 4 мм это будет давление 103 МПа. Использование бойка увеличивает силу удара примерно в 2 раза, так как его масса при принятых размерах примерно равна массе движущейся в камере жидкости. После остановки бойка, что отметят чувствительные элементы, через определенную временную установку будет отключена запись параметров с датчика давления и с сейсмического регистратора, что сохранит объем памяти. Для подготовки к следующему производству сигнала необходимо устройство с работающим забойным двигателем поставить на забой так, чтобы гильза уперлась в торец корпуса. При этом поршень зачистки выдавит через обратный клапан в нижней крышке камеры жидкость в скважину и в нижней конечной точке соединится пружинными зацепами с бойком. При следующем подъеме колонны будет произведен следующий сейсмический сигнал.
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, может быть использовано на сильно наклоненных и на горизонтальных участках скважин. Также оно позволяет оптимально использовать весь объем памяти регистрирующих блоков.
На фиг.1 и на фиг.2 изображены продольные разрезы устройства; на фиг.3 - поперечный разрез А-А; на фиг.4 - поперечный разрез Б-Б; на фиг.5 - узел В (продольный разрез по одной из камер). Устройство содержит полый корпус 1, жестко закрепленный на забойном двигателе 2 и имеющий в верхней части шток 3 квадратного или шестигранного сечения, на котором жестко закреплен поршень 4, свободно с уплотнением установленный в гильзу 5 и ограниченный в осевом перемещении и во взаимном проворачивании нижней крышкой 6. Гильза 5 жестко крепится к буровой колоне 7. В корпусе 1 выполнены открытые карманы 8 и 9, в которые устанавливаются и крепятся к корпусу 1 рабочие камеры 10 и отсеки 11 и 12 регистрации сигнала. Каждая камера снизу закрыта крышкой 13 с обратным клапаном 14, а сверху - крышкой 15 с осевым отверстием, через которое свободно проходит шток 16 поршня зачистки 17, жестко на нем закрепленный. Шток поршня зачистки 17 своим верхним концом жестко крепится к крышке гильзы 5. Внутри камеры под поршнем зачистки 17 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 20 в осевом отверстии поршня зачистки 17. В верхней части стенок 21 камеры выполнены окна 22, которые при крайнем верхнем положении поршня зачистки 17 полностью открыты (так изображено на фиг.1, 2 и 5). Все детали устройства, кроме бойка, выполнены из немагнитных материалов. Скорость перемещения бойка по высоте камеры фиксируют чувствительные элементы в отсеках регистрации 11 и 12. Также в отсеках установлены датчик давления 23 и сейсмический регистратор 24 с внутренними часами и электронные блоки управления включением и отключением записи параметров с датчика давления 23 и с сейсмического регистратора 24.
В исходном состоянии, как изображено на чертежах, внутренние полости камер 10 свободны от воздуха и заполнены скважинной жидкостью через зазоры между поршнем зачистки 17 и стенкой 21. В этом положении устройство опускается на забой после смены бурового инструмента. Для создания сигнала необходимо перевести забойный двигатель на рабочий режим и начать с номинальным осевым усилием процесс бурения. При этом нагрузка на долото, создаваемая весом колонны, превышает усилие, создаваемое рабочим перепадом давления на забойном двигателе на поршне 4. Колонна 7 прижмет крышку 6 к корпусу 1, и поршни зачистки 17 вместе с бойками 18 переместятся в крайнее нижнее положение. Жидкость из-под поршня 17 будет выдавливаться в скважину через обратный клапан 14. Для произведения сейсмического сигнала колонну труб 7 с максимально возможной скоростью при работающем забойном двигателе 2 необходимо поднять над забоем. При этом поршень 4 под действием гидравлического усилия на нем и веса забойного двигателя будет выдвигаться из гильзы 5 и тянуть за собой поршни зачистки 17 с бойками 18, преодолевая усилие от перепада давления на них. Протечки жидкости в камеру за это время будут мизерные. В момент, когда поршень зачистки 17 начнет открывать окна 22, скважинная жидкость под давлением начнет врываться в полость между поршнем зачистки 17 и бойком 18 и своим потоком отсоединит его от поршня зачистки 17. Под поршнем зачистки 17 будет разрежение, заполненное парами жидкости. Боек 18, толкаемый потоком жидкости с огромной скоростью, вместе с потоком жидкости ударится о нижнюю крышку камеры 13. Высокая скорость движения бойка 18 будет отмечена чувствительными элементами в отсеках 11 и 12, и блоки управления дадут команду на включение записи параметров с датчика давления 23 и с сейсмического регистратора 24. Поток жидкости резко остановится, произойдет гидравлический удар, кинетическая энергия потока жидкости перейдет в энергию ударного давления, ударное давление будет передаваться через стенки 21 камер 10 и непосредственно через открытые окна 22. Использование бойка 18 увеличивает силу удара так, как его плотность в 7 раз больше плотности движущейся в камере жидкости. После остановки бойка 18, что отметят чувствительные элементы, через определенную временную установку будет отключена запись параметров с датчика давления 23 и с сейсмического регистратора 24, что сохранит объем памяти. Колебания стенок камеры постепенно успокоятся, и давление в камере сравняется со скважинным давлением. Для подготовки к следующему производству сигнала необходимо устройство с работающим забойным двигателем 2 поставить на забой так, чтобы гильза 5 уперлась крышкой 6 в торец корпуса 1. При этом поршень зачистки 17 выдавит через обратный клапан 14 в нижней крышке 13 камеры жидкость в скважину и в нижней конечной точке соединится пружинными зацепами 19 с бойком 18. При следующем подъеме колонны будет произведен следующий сейсмический сигнал.