Устройство для спуска кабеля в скважину
DEVICE FOR LOWERING CABLE INTO WELL

Изобретение относится к области геофизических и гидродинамических исследований и может быть использовано в нефтяной промышленности, преимущественно при исследовании фонтанирующих скважин с высоким устьевым давлением посредством приборов, подвешиваемых на гибком длинномерном элементе (кабеле, проволоке и т.д.).
На фонтанирующих скважинах, имеющих большое давление в устье, приходиться столь сильно зажимать сальниковое уплотнение гибкого длинномерного элемента в узле герметизации лубрикатора, что для осуществления продвижения (проталкивания) этого элемента через сальниковое уплотнение в процессе спуска прибора в скважину, его веса оказывается недостаточно. А при подъеме наоборот, усилия не хватает для удержания кабеля в лубрикаторе и происходит не контролируемый его выброс. Для осуществления спуска кабеля в таких случаях используют различные устройства.
Часто применяемый способ утяжеления прибора дополнительными грузами обычно приводит к новым проблемам и неудобствам, таких как очень высокие лубрикаторные установки, дополнительные требования к прочности кабеля и затруднения или отсутствие прохождения приборной подвески на наклонных участках ствола скважины.
Известно устройство для спуска приборов в скважину с высоким устьевым давлением (а.с. СССР 1126688, кл. Е21В 47/00), которое способно работать, как указано в описании изобретения, при устьевом давлении 50 МПа. В этом известном устройстве спуск прибора в скважину осуществляется за счет действия на кабель сил тяжести от дополнительно подвешенных на кабель утяжелителей, а ввод их в лубрикатор производится специальным механизмом, включающим лебедку, захват, ролики, удлинители и т.д.
Основные недостатки этого устройства следующие:
- недостаточная надежность устройства из-за снижения запаса прочности кабеля и повышения опасности прихватов;
- снижение проходимости (способности продвижения под собственным весом) в наклонных участках ствола скважины;
- высокая стоимость исследовательских работ из-за повышенной их трудоемкости, связанной с необходимостью ручного монтажа и демонтажа большого количества тяжелых деталей (утяжелителей, захватов, роликов, удлинителей и т.д.), тяжелого устройства в сборе на устье скважины, а также из-за использования механизма перемещения утяжелителей, прибора в лубрикаторе с ручным приводом.
Известно устройство для спуска кабеля с подвешенным на нем прибором в фонтанирующую скважину (а.с. СССР 562643, кл. Е21В 47/00), содержащее сальниковое уплотнение в корпусе лубрикатора, привод в виде рукоятки с выходной приводной частью для гибкого длинного длинномерного элемента (кабеля), расположенной между лубрикатором и устьем скважины, состоящей из герметичного корпуса с центральным сквозным отверстием для прохода кабеля и расположенной в нем системы роликов-шестерен. В этом устройстве в процессе спуска кабель зажимается между двумя роликами и затем вращением рукоятки затягивается в скважину. Автоматическое прижатие роликов к кабелю осуществляется за счет подачи под давлением масла в подплунжерную полость устройства. Давление масла обеспечивается, в свою очередь, за счет использования давления рабочей среды, подводимой из устья скважины. Когда вес кабеля вместе с прибором становится достаточным для того, чтобы под действием силы тяжести он сам спускался в скважину, автоматическое прижатие рожков к кабелю отключают.
Основными недостатками этого устройства являются следующие:
- низкая надежность этого устройства в случае его применения в скважинах с высоким устьевым давлением (свыше 7 Мпа). Это связано с тем, что при таких давлениях сопротивление сальникового уплотнения перемещению кабеля, как уже указывалось, так же велико. Для преодоления этого сопротивления приходится создавать в работе очень большие усилия прижатия роликов к кабелю, что приводит из-за малой площади их соприкосновения к возникновению значительных контактных напряжений, а значит, увеличивается опасность возникновения недопустимых деформаций кабеля и его быстрое разрушение,
- высокая трудоемкость, а значит, и стоимость геофизических исследований, так как привод системы роликов-шестерен осуществляется через рукоятку вручную.
Известно устройство для спуска приборов в скважину с высоким устьевым давлением, содержащее фонтанную арматуру, лубрикатор с сальниковым уплотнением, гибкий длинномерный элемент, механизм его спуска в скважину, который выполнен в виде системы роликов, соединенных замкнутой лентой, распрямляющейся и сворачивающейся в трубку в месте ее прохода через сальниковое уплотнение лубрикатора, соприкасаемый в этом месте с уплотнением и кабелем и служащий для кабеля проталкивающим элементом механизма спуска (а.с. СССР 1059155, кл. Е21В 47/00). Применение этого известного устройства существенно снижает стоимость исследовательских работ благодаря наличию гидравлического или электрического двигателя для привода механизма спуска кабеля. Однако оно не может применяться при высоком устьевом давлении скважины, так как невозможно создать прочную ленту, способную выдержать большое тяговое усилие для проталкивания кабеля через сальниковое уплотнение лубрикатора и одновременно очень эластичную, способную сворачиваться в трубку без зазора по торцам этой трубки. Наличие такого зазора значительно снижает уровень давления в устье скважины, для которого можно использовать это известное устройство.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для спуска кабеля в скважину по а.с. СССР №899878 кл. Е 21 В 47/00. Это известное устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит приемную камеру лубрикатора, герметизатор кабеля и устройство для принудительного протягивания кабеля при помощи привода находящегося в герметизированном корпусе (в лубрикаторе) расположенного между герметизатором кабеля и приемной камерой лубрикатора. Перемещение кабеля в этом известном устройстве осуществляется за счет давления эксцентрика вниз на верхний поршень при вращении рукоятки привода, при котором в начальный момент сначала заклинивается кабель посредством разрезной конусной втулки, после чего верхний поршень вместе с этой тяговой втулкой и зажатым в ней кабелем тянет его в скважину, преодолевая суммарную силу, включающую силу выталкивания вверх кабеля, силу трения герметизатора кабеля, силу трения верхнего поршня и стенки герметичного цилиндрического корпуса, силу сжатия возвратной пружины, силу сопротивления жидкости скважины от ее перетекания из полости, где расположена возвратная пружина, в полость расположения эксцентрика, силу, необходимую для расклинивания разрезной конусной втулки, расположенной в нижнем поршне. Возвращение верхнего поршня в исходное верхнее положение происходит под действием возвратной пружины, при котором заклинивается нижняя разрезная конусная втулка, расположенная в нижнем неподвижном поршне, и расклинивается верхняя конусная втулка, которая, проскальзывая по кабелю, занимает верхнее исходное положение.
Это устройство обеспечивает исследование скважин при более высоком давлении в их устье благодаря возможности обеспечения в этой конструкции большей площади контакта по поверхности соприкосновения кабеля с тяговой разрезной конусной втулкой в момент ее окончательного заклинивания при работе устройства. Однако существенное увеличение этой площади контакта может быть достигнуто без повреждения кабеля только в случае полного соответствия размеров по профилю и шагу резьбовой поверхности тяговой разрезной конусной втулки и сопрягаемой многозаходной резьбовой поверхности кабеля, образуемой его оплеткой. Причем это увеличение может быть получено только в момент максимального допустимого обжатия кабеля упомянутой втулкой.
Основным недостатком этого известного устройства является интенсивный износ кабеля в работе. Это связано, во первых, трудностью выдержать определенные точные размеры еще при изготовлении, а во вторых, точность размеров кабеля значительно изменяется в процессе эксплуатации устройства в результате действующих на него нагрузок и постепенной вытяжки. Процесс износа кабеля при движении разрезной тяговой конусной втулки вверх, сопровождаемый смятием и срезом материала будет присутствовать всегда. В частности, даже в идеальном случае, когда размеры кабеля по оплетке номинальные, срез витков оплетки будет происходить из-за изготовления разрезной тяговой конусной втулки из двух половинок. Это связано с тем, что при их встречном движении при обжатии кабеля, направленном к его оси, в контакт с витками оплетки в начале обжатия будут входить только те небольшие участки вершин резьбового профиля тяговой разрезной конусной втулки, которые расположены вблизи плоскости ее разъема.
Описанные выше факторы существенно снижают надежность и долговечность работы устройства.
Следует заметить, что снижение надежности работы известного устройства при его применении в скважинах с очень высоким устьевым давлением может происходить и из-за действия других факторов, в частности в случае сильного загрязнения жидкости, находящейся в скважине. При этом соприкасаемые поверхности становятся гладкими, что снижает коэффициент трения между ними, а значит, снижается уровень давления скважины, до которого можно использовать это известное устройство. Снижение надежности, в частности, происходит и при загрязнении резьбы хотя бы одной из втулок, например нижней. Так как в этом случае при движении верхнего поршня вверх не происходит ее полного заклинивания, а выталкивание тяговой разрезной конусной втулки начинает происходить только за счет сил сжатия довольно длинного участка кабеля, расположенного между верхним поршнем и устьевым герметизатором кабеля. При таком сжатии этого участка кабеля происходит его недопустимый изгиб, что может привести к разрушению оплетки и снижению надежности устройства, а процесс этот ни какому контролю и исправлению не поддается.
Кроме того, процесс исследования скважин с применением такого известного устройства довольно трудоемок из-за ручного управления приводом эксцентрика, находящегося на высоте от трех до пяти метров. А при очень высоких устьевых давлениях нахождение людей и производство работ в опасной зоне и не допустимо.
Цель изобретения - повышение надежности и долговечности работы устройства, а также снижение трудоемкости процесса геофизических исследований в скважинах с высоким устьевым давлением, повышая при этом безопасность каждого этапа работ, в том числе и понижая высоту применяемой лубрикаторной установки.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве значительно увеличена зона контакта кабеля с протягивающим ее элементом (роликом). И этот контакт превращен в постоянно действующую благодаря использованию для этой цели верхнего ролика системы подвески кабеля. При этом улучшены и условия взаимодействия захватных элементов повышающих коэффициент трения (зацепления) кабеля с этим роликом, а сам ролик заключен в герметизированный корпус, т.е. введен во внутреннюю полость лубрикатора. Что, в свою очередь, дал возможность лубрикаторную установку на этом месте как бы сложить пополам и камеру узла герметизации кабеля направить вниз. А это позволяет, и сократить общую высоту лубрикаторной установки и добавить к ней, не влияя на ее высоту, дополнительные многокамерные герметизирующие кабель устройства. Такие устройства не только экологичны, но и повышают ресурс работы кабеля. Таким образом, две камеры (трубы), присоединенные к корпусу верхнего ролика только с одной нижней стороны, после присоединения их нижних концов к устьевой арматуре скважины, служат и стойкой для этого ролика, вдобавок к своим основным функциям. Нахождение выходного канала лубрикаторной установки в непосредственной близости с нижним (устьевым) роликом, на устье скважины, повышает эксплуатационные характеристики устройства в целом, облегчает обслуживание устройства герметизации кабеля, сокращает материальные затраты, например, на шланги высокого давления и повышает степень безопасности их эксплуатации.
Предлагаемое устройство рассчитывается и проектируется исходя из максимального возможного ожидаемого давления в устье скважины, при более низких давлениях оно также будет работоспособно, так как давление и силы во всех полостях устройства в работе будут уменьшаться пропорционально давлению в устье скважины и станут только благоприятными для работы устройства. Для скважин с очень высокими давлениями и для особенных случаев, например, морских, отдельный расчет и проектирование экономически будет оправдан из-за различной металлоемкости, а конструкция и принцип действия устройства останется неизменной.
Достигнутым техническим результатом предлагаемого устройства являются обеспечивание исследования скважин глубинными геофизическими приборами при больших давлениях на устье, не деформируя кабель, исключение возможных выбросов при подъеме, получение возможности применения лубрикаторной установки минимально возможной высоты и повышение надежности и безопасности выполняемых работ. Кроме того, появляется возможность применения одновременно несколько, существующих и работающих в щадящем кабель режиме, устройств герметизирующих кабель, каскадируя их, не влияя на общую высоту лубрикатора. При этом дополнительные трудозатраты отсутствуют, и имеет место сокращения материальных средств, работающих в опасной зоне высокого давления.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство от известного отличается тем, что применяемый для протягивания кабеля в лубрикатор механизм выполнен на базе верхнего ролика системы подвески кабеля. При этом этот верхний ролик внесен во внутреннее пространство лубрикатора, заключив его в герметизированный корпус и разместив между приемной камерой лубрикатора и камерой герметизации кабеля. Причем лубрикатор на этом месте как бы сложен пополам и камера герметизатора кабеля своим выходным каналом направлен вниз к нижнему ролику системы подвески кабеля. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критериям «новизна» и «существенные отличия».
Заявителю не известны технические решения, содержащие сходные признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемых решений критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На фиг. 1 изображена схема установления лубрикаторной установки на устьевой фланец, например, фонтанной арматуры скважины. На устьевой фланец 1 через переходной фланец 2 установлен кабельный превентор 3 с резьбовым элементом быстроразъемного соединения (БРС) сверху. К нему своей ответной муфтой 4 присоединено лубрикаторное сигнальное устройство 5 приемной камеры 6 лубрикатора. Приемная камера 6 может быть составлена из нескольких труб через БРС и таким же БРС присоединена к одному из переходов 8 корпуса 7 верхнего ролика. А ко второму переходу 8 присоединена камера герметизации кабеля 9, которая, в свою очередь, заканчивается выходным кабельным каналом 10 к корпусу, которого прикреплена одна из ветвей кронштейна 11 нижнего ролика 12. Другая ветвь этого кронштейна 11 связана с корпусом сигнального устройства 5, а третья играет роль страховочного соединения нижнего ролика 12 с устьевой арматурой скважины через специальный болт 13 и кронштейн 14. В верхней части корпуса верхнего ролика 7 прикреплена серьга 15 под крюк подъемника.
На фиг. 2 и изображен верхний ролик в корпусе и со своими добавочными конструктивными элементами, а на фиг. 3 изображен этот же ролик без крышек корпуса 19 и 20. Причем на правой половине чертежа вид ролика 16 со стороны тормозного диска 22, а на левой половине чертежа вид ролика 16 со стороны диска 23, связывающего ролик 16 с редуктором 27 внешнего привода. Верхний ролик 16 на подшипниках 17 посажен на ось 18, установленный между крышками 19 и 20 своего корпуса 7. На ступице этого ролика 16, с противоположных сторон, также на подшипниках 21 посажены, вращающиеся соосно с ним, диски 22 и 23. При этом они с этим роликом связаны через муфты вращения одностороннего действия (муфты свободного хода) 36, т.е. они, входя в зацепление с роликом 16, когда он вращается на подъем, остаются неподвижными, когда ролик вращается на спуск. Это позволяет, воздействуя на одного из дисков, например, на 22, постояннодействующим тормозным моментом определенного усилия, через регулируемые пружинно-шариковые тормозные элементы 35 от неподвижного тормозного диска 25, исключать вращение ролика 16 при отсутствии тягового усилия мощнее тормозного момента, т.е. исключать выброс кабеля 26 при его подъеме. В то же время, второй диск 23, позволяя верхнему ролику 16 свободно вращаться, при спуске под тяжестью прибора (на рисунке не изображен) и внутрискважинной части подвески кабеля 26, может вращать этот ролик 16 от внешнего привода, при нехватке упомянутой тяжести для свободного спуска прибора. Вращение диску 23 передается через шестерню 24 и редуктор 27, которые находятся в пространственной и кинематической связи с ним. А связь электродвигателя 28 и редуктора 27 осуществляется через магнитную муфту вращения 29 для исключения необходимости уплотнения вала и защиты электродвигателя 28 от жидкости находящейся под большим давлением. Отсутствие больших потерь на уплотнение вала компенсирует и маломощность двигателя 28 и потери мощности на передаче через магнитную муфту вращения 29. Таким образом, электродвигатель 28, находясь в герметичном своем корпусе, защищен от воздействия больших давлений и соответствует требованиям взрывобезопасности устьевого пространства. Соблюдая условия этих же требований, питание к нему подается использованием глубинного кабеля и наконечника (на рисунке не изображены), хотя и находится он на устье скважины.
На фиг. 4 изображен фрагмент захватного механизма верхнего ролика 16 отдельно (Вид А по фиг. 3). В качестве захватных элементов кабеля усиливающих сцепление на верхнем ролике (ролике протягивающий кабель) 16 служат, установленные по периметру его обода пластины 30, выполненные из износостойкого к истиранию упругого полимера, например, из полиуретана. Нижний торец пластины 30, имеющий форму полукруга, усилен ленточной стальной пружиной 31, повторяющей ее поверхность. Радиус округления пластины 30 больше чем радиус округления контактной поверхности ее установочного паза 32. Эта разность позволяет пластине 30 прогибаться до контакта полуокружностных поверхностей и тем самым создать условия охвата кабеля 26 находящегося в ее канавке 33. Установочные пазы 32 выполнены перпендикулярно кабельному ручейку ролика 16. Частота расположения установочных пазов 32 выбирается из расчета сохранения прочности грузонесущего скелета ролика 16 после выполнения на нем соответствующего кабельного ручейка. Упомянутый захватный механизм срабатывает, когда кабель 26 накатывает к ролику 16, при его вращении, и, прижимаясь по ручейку, создает центростремительное усилие пропорциональное натяжению кабеля 26, прогибающее пластины 30 находящиеся в контактной зоне. Такое неподвижно-сцепленное состояние кабеля 26 в тесном контакте с пластиной 30 по ее канавке 33 будет продолжаться до тех пор, пока ролик 16 не повернется еще на пол оборота и не начнет ослабевать центростремительная сила прижатия кабеля 26 к ролику 16, а одновременно и канавке 33 эластичных пластин 30. Таким образом, при вращении верхнего ролика 16, кабель 26, постоянно прижимаясь к различным отдельным участкам ролика 16 в его ручейке, не только находится в постоянном тесном контакте с ним, но и создает условия для усиления этого контакта из-за автоматического захвата и отпускания его упруго-эластичными элементами. Причем, зона контакта занимает половину окружности обода ролика 16 по его кабельному ручейку, а из прижимно-захватных элементов половина, от общего их количества, постоянно находятся в работе, подключаясь и отключаясь по одному, автоматически. И это происходит не зависимо от направления вращения ролика 16, т.е. и при спуске и при подъеме прибора.
На фиг. 5 изображен фрагмент механизма создающего постоянный тормозной момент на верхний ролик 16 при его вращении в направлении подъема кабеля, в том числе и при возможном его выбросе. Тормозной момент создается многочисленными контактами неподвижного диска 25, через его пружинно шариковые элементы 35, с рифленой поверхностью диска 22, в радиальном зазоре между ними. Этот тормозной момент при вращении ролика 16 на спуск не действует из-за взаимосвязи ролика 16 с диском 22, так же как и диском 23, через механизм свободного хода (муфту сцепления одностороннего действия) 36.
Механизм свободного хода 36 (Вид В на фиг. 3) изображен на фиг. 6. Ролик 16 с дисками 22 и 23, установленными на его ступице с противоположных сторон и свободновращающимися на подшипниках 21, взаимодействует через отдельные муфты свободного хода 36. Такие механизмы выполнены для того чтобы не создавалась помеха свободному ходу прибора, при его спуске под собственном весом.
Между камерой герметизации кабеля 9 и его выходным каналом 10 могут быть установлены обратный клапан 33 и полнопроходной для кабеля кран высокого давления 34. В случае обрыва кабеля и исчезновении его из выходного канала 10, обратный клапан 33 автоматически перекрывает этот канал, предотвращая выброс жидкости из лубрикатора. Но для полного и уверенного перекрытия на долгое время применяется кран высокого давления 34.
Пример работы на скважине.
На устьевой фланец 1 фонтанной арматуры устанавливают переходной фланец 2. К нему при помощи муфты БРС присоединяют кабельный превентор 3. Для скважин с очень большим давлением в устье этот превентор должен быть управляемым и дистанционно. После гидравлических испытаний устьевого оборудования приступают к монтажу лубрикаторной установки. Сначала, пропуская геофизический кабель 26 через соответствующие узлы и детали, собирают установку полностью на мостках, а затем заправляют кабельный наконечник и присоединяют прибор. Собранную и протестированную компоновку приподнимают и устанавливают на свое место, прикрепляя муфтой БРС 4, а затем и специальным болтом 13 через кронштейн 14 к устьевой арматуре скважины. После заполнения и прокачки внутренних полостей лубрикатора и герметизатора кабеля соответствующими жидкостями, выравнивают давление в лубрикаторе с устьевым, открывая соответствующие запорные элементы устьевой арматуры и кабельный превентор 3. Включают питание привода и, контролируя движение, начинают спуск прибора в скважину. Когда наберется достаточный вес глубинной подвески для самостоятельного продвижения, питание привода отключают. При подъеме прибора, не зависимо от технического состояния и степени прижатия герметизирующих элементов, выброса кабеля 26 не будет из-за торможения верхнего ролика 16 диском 22, подвергающемуся постоянно действующему торможению с определенным усилием. После завершения подъема прибора, удостоверившись, что прибор полностью прошел в приемную камеру лубрикатора 6, лубрикатор отсекают от скважинного пространства, закрывая соответствующие запорные элементы устьевой арматуры скважины. Затем, манипулируя соответствующими органами управления, сбрасывают давление в камерах герметизатора кабеля 9 и сбрасывают жидкость из приемной камеры лубрикатора 6. Для демонтажа лубрикатора, если подъемный механизм постоянно не участвовал в процессе исследования, его подвешивают к подъемнику через серьгу 15 и освобождают от устьевого крепежа. Сначала снимают страховочный болт 13, а затем отворачивают муфту 4 БРС сигнальной камеры 5. Свободно висящий лубрикатор, с прибором в его приемной камере 6 и закрепленным к выходу кабельного канала 10 нижним роликом 12 приподнимается и укладывается на мостках. Остальной демонтаж производится в обратном порядке.
Технико-экономические преимущества устройства заключается в следующем:
1. За счет использования верхнего ролика и в качестве приводного барабана (ролика), вдобавок к своему основному назначению, зона контакта кабеля с протягивающим ее роликом значительно выросла, и она стала еще и постояннодействующей. Появилась возможность использования нескольких захватных элементов на этом контактном участке, действующих одновременно, причем без скольжений и резких перехватов. А контактный участок составляет половину длины окружности кабельного ручейка верхнего ролика. Увеличение количества захватных элементов, повышающих коэффициент сцепления кабеля с протягивающим элементом, дает возможность использовать элементы механизма захвата, работающие в более щадящем кабель режиме, т.е. без острых поверхностей и сильно действующих пружин.
2. За счет использования верхнего ролика в качестве приводного появилась дополнительная возможность введения элемента, действующего только при подъеме, постоянного тормозного момента определенного усилия, не зависящего от герметизатора кабеля. А это исключает возможные выбросы кабеля вовремя его подъема.
3. Внесение этого верхнего ролика в лубрикатор дало возможность дополнительно понизить общую высоту лубрикаторной установки при неизменной высоте приемной камеры для прибора, а основное понижение было из-за отказа применения дополнительных к прибору грузов. Понижение произошло за счет поворота и направления выкидного конца герметизатора кабеля вниз. Этот поворот не только улучшил условия эксплуатации кабельного герметизатора, но и дал возможность использования дополнительных герметизирующих кабель камер, не меняющих высоту лубрикатора, но улучшающих щадящий кабель режим работы герметизирующих элементов. А это, в свою очередь, повышает ресурс работы кабеля, устройства и расходных элементов герметизатора.
4. Общее понижение высоты лубрикаторной установки всегда связано со значительным сокращением длин ее шлангов работающих под большим давлением. А это, в свою очередь, повышает безопасность работ и понижает материальные расходы.
5. Применение электропривода для протяжки кабеля и использование для этой цели существующего глубинного электропривода скважинного пакера, с незначительными доработками, не только облегчает и удешевляет изделие, но и повышает степень безопасности устройства в целом.
Применение предлагаемого устройства, из-за его совместимости со всеми элементами существующего устьевого оборудования, не только сокращает затраты на исследование, но и расширяет возможности активного применения в текущем производстве различных, улучшающих качество работ, известных устройств.