СКВАЖИННЫЙ ПРОФИЛЕМЕР
BOREHOLE GEOMETRY TOOL

Изобретение относится к области геофизических исследований глубоких и сверхглубоких скважин и может быть использовано в многорычажных профилемерах-сканерах для детального контроля качества внутренней поверхности обсадных колонн.
Известен предназначенный для исследования обсадных колонн скважинный профилемер типа ПТС-2 [1, 2], содержащий герметичный компенсированный охранный кожух с верхней пробкой для соединения жил геофизического кабеля с электрической схемой, включающей балластный резистор, и нижней пробкой, жестко связанной с корпусом, несущим систему шарнирно укрепленных двуплечих измерительных рычагов, взаимодействующих с наконечниками подпружиненных толкателей, пропущенных с уплотнением через периферийные отверстия в нижней пробке с возможностью перемещения в осевом направлении и имеющих на концах, находящихся в кожухе, подпружиненные контакт-детали для взаимодействия с блоком соответствующих им измерительных реохордов (резисторов), а также размещенные в кожухе реверсивный электродвигатель с редуктором, выходной вал которого кинематически связан с винтовым механизмом, включающим винт, гайку и исполнительное звено, выведенное из кожуха при помощи штока с уплотнением через центральное отверстие в нижней пробке для раскрытия-складывания рычагов, и наземную приеморегистрирующую аппаратуру, включающую пульт управления, задающий алгоритм работы всего устройства.
Такой профилемер имеет низкую надежность работы и невысокую точность измерений в условиях глубоких и сверхглубоких скважин из-за сложности конструкции, связанной с необходимостью применения коммутирующих устройств (реле, диодов), блока прецизионных резисторов стандарт-сигналов повышенной термостойкости, блока измерительных реостатных преобразователей, требующих обеспечения высокой идентичности характеристик, и наличием реверсивной (или предохранительной) муфты в кинематической цепи электродвигателя (см., например, [3]).
Наиболее близким к предлагаемому является скважинный профилемер [4], в котором частично устранены указанные недостатки путем замены блока измерительных реохордов на вращающийся барабан с продольно установленным на его боковой поверхности реохордом для взаимодействия с контакт-деталями толкателей и приводной осью, снабженной щеточно-коллекторным узлом. При очевидных преимуществах приобретенным недостатком такого профилемера является необходимость использования дополнительного привода для вращения барабана с реохордом. Кроме того, такой профилемер не обладает всем набором функций, необходимых для совместной работы со встроенным инклинометром и достижения наибольшей точности измерений в непрерывном режиме исследования обсадных колонн при минимуме использования в скважинном приборе радиотехнических изделий.
Изобретением решается задача упрощения конструкции, повышения надежности и точности измерений и расширения функциональных возможностей.
Для достижения указанных технических результатов в скважинном профилемере, содержащем герметичный компенсированный охранный кожух с верхней пробкой для соединения жил геофизического кабеля с электрической схемой, включающей балластный резистор, и нижней пробкой, жестко связанной с корпусом, несущим систему шарнирно укрепленных двуплечих измерительных рычагов, взаимодействующих с наконечниками подпружиненных толкателей, пропущенных с уплотнением через периферийные отверстия в нижней пробке с возможностью перемещения в осевом направлении и имеющих на концах, находящихся в кожухе, подпружиненные контакт-детали для взаимодействия с реохордом, продольно установленным на боковой поверхности барабана с приводной осью, снабженной щеточно-коллекторным узлом, а также размещенные в кожухе реверсивный электродвигатель с редуктором, выходной вал которого кинематически связан с винтовым механизмом, включающим винт, гайку и исполнительное звено, выведенное из кожуха при помощи штока с уплотнением через центральное отверстие в нижней пробке для раскрытия-складывания рычагов, и наземную приеморегистрирующую аппаратуру, включающую пульт управления, задающий алгоритм работы всего устройства, кинематическая связь между выходным валом редуктора и винтовым механизмом образована приводной осью барабана, жестко соединенной с винтом, снабженным с другой стороны хвостовиком, установленным в опоре вращения, а гайка имеет возможность выхода из резьбового зацепления с винтом на его концах и снабжена двумя подпружиненными упорами, встречно размещенными с одной стороны на приводной оси, а с другой - на хвостовике, при этом гайка смонтирована с возможностью одноподвижного возвратно-поступательного перемещения и снабжена тягами, жестко связанными со штоком. Причем упоры выполнены в виде тарелок.
Кроме того, профилемер снабжен устройством для формирования азимутальной отметки, выполненным в виде большего по длине толкателя с контакт-деталью, подключающей к балластному резистору в процессе вращения барабана при раскрытии рычагов существенно меньший по величине сопротивления участок реохорда по сравнению с величинами сопротивлений участков реохорда, отсчитываемых от начала его намотки контакт-деталями других толкателей.
Кроме того, балластный резистор использован в качестве резистора стандарт-сигнала, для чего верхняя часть барабана снабжена цилиндрическим контактным кольцом, электрически связанным с щеточно-коллекторным узлом и началом намотки реохорда, а контакт-деталь большего по длине толкателя при сложенных рычагах установлена контактирующей с боковой поверхностью контактного кольца.
На приведенном чертеже представлена электрокинематическая схема предлагаемого скважинного профилемера.
Скважинный профилемер содержит скважинный прибор и наземную приеморегистрирующую аппаратуру, связанные между собой трехжильным бронированным геофизическим кабелем.
Скважинный прибор включает в себя герметичный компенсированный охранный кожух с верхней и нижней пробками (не показаны) и заполнен диэлектрической жидкостью, например трансформаторным маслом. Верхняя пробка (или иначе головка с электровводами) обеспечивает связь геофизического кабеля с электрической схемой прибора, включающей измерительную цепь и цепь управления. Нижняя пробка (или иначе мост) жестко связана с корпусом (не показан), несущим систему шарнирно укрепленных двуплечих измерительных рычагов 1. Число рычагов 1 определяется требуемой детализацией контроля внутреннего профиля обсадных колонн и конструктивными возможностями прибора, прежде всего наружным диаметром его охранного кожуха. Длинные плечи рычагов 1 снабжены твердосплавными наконечниками 2, имеющими возможность контактирования с внутренней поверхностью обсадных колонн. Малые плечи рычагов 1 имеют профилированные окончания, контактирующие с одной стороны с фиксирующим диском 3, а с другой - с наконечниками 4 подпружиненных при помощи пружин сжатия 5 толкателей 6, пропущенных с уплотнением, например, с помощью резиновых колец через периферийно расположенные по окружности отверстия в нижней пробке с возможностью перемещения в осевом направлении. Внутри охранного кожуха на концах толкателей 6 закреплены подпружиненные, например, с помощью плоских пружин контакт-детали 7 для взаимодействия с реохордом 8, продольно установленным в прорези на боковой поверхности барабана 9, выполненного из электроизоляционного материала и имеющего возможность вращения в обоих направлениях на жестко связанной с ним приводной оси 10. При этом для обеспечения надежного контакта с реохордом 8 контакт-детали 7 выполнены в виде линейных контактов (отрезков проволоки круглого, полукруглого или трехгранного сечения), расположенных перпендикулярно приводной оси 10. Реохорд 8 представляет собой каркас с намотанным на нем проводом с высоким электрическим сопротивлением, например константановым, и имеет зачищенную контактную дорожку для электромеханического взаимодействия с контакт-деталями 7, образуя, таким образом, датчик, трансформирующий угловые перемещения рычагов 1 в электрические сигналы, пропорциональные введенным в измерительную цепь сопротивлениям, зависящим от положений контакт-деталей 7 относительно начала намотки провода. Скорость вращения барабана 9 в основном определяется качеством изготовления реохорда 8 и жесткостью пружин контакт-деталей 7 и может составлять 10-40 об./мин. Верхняя часть приводной оси 10 снабжена щеточно-коллекторным узлом, включающим в себя коллекторное кольцо 11 и электрическую щетку 12, а также жестко соединена с выходным валом 13 редуктора 14, кинематически связанного с реверсивным электродвигателем 15, выполненным, например, в наиболее простом для управления варианте в виде погружного электродвигателя постоянного тока. При этом начало намотки провода реохорда 8 электрически связано с коллекторным кольцом 11, а контакт-детали 7 за исключением одной в исходном состоянии, т.е. при сложенных рычагах 1, как это показано на чертеже, установлены относительно боковой поверхности барабана 9 в положениях, соответствующих начальным точкам введения текущих сопротивлений реохорда 8 в измерительную цепь. В свою очередь нижняя часть приводной оси 10 барабана 9 жестко соединена с винтом 16 винтового механизма, служащего для раскрытия-складывания рычагов 1 при работе электродвигателя 15. С другой стороны винт 16 снабжен хвостовиком 17, установленным в опоре вращения, например в шарикоподшипнике, и несет на себе гайку 18, имеющую возможность выхода из резьбового зацепления с ним на его концах. Для чего торцы винта 16 имеют конусную поверхность, а в резьбовом отверстии гайки 18 с обеих сторон предусмотрены заходные фаски. Причем для входа в резьбовое зацепление с винтом 16 гайка 18 снабжена двумя подпружиненными с помощью пружин сжатия 19 и 20 упорами 21 и 22, выполненными в виде тарелок с центральными отверстиями и встречно размещенными с их помощью с одной стороны на приводной оси 10, а с другой - на хвостовике 17. При этом гайка 18 смонтирована с возможностью одноподвижного (без вращения) возвратно-поступательного перемещения и посредством, по меньшей мере, двух тяг 23 и 24 жестко связана с исполнительным звеном в виде штока 25, выведенного из кожуха с уплотнением через центральное отверстие в нижней пробке и несущего жестко связанный с ним фиксирующий диск 3.
Измерительная цепь скважинного прибора включает в себя оплетку (броню) и одну из жил геофизического кабеля, присоединенную с одной стороны к блоку управления 26 наземной приеморегистрирующей аппаратуры, а с другой - через балластный резистор 27 к щетке 12, подключенной к периодически образуемым при вращении барабана 9 участкам цепи «коллекторное кольцо - контакт-деталь». Для питания измерительной цепи служит стабилизированный источник постоянного тока 28. Электродвигатель 15, электрически связанный с двумя другими жилами кабеля, подключенными к блоку управления 26, образует цепь управления, питаемую постоянным током от блока питания 29. При этом блок управления 26 устроен таким образом, что благодаря включенному в его состав компьютеру кроме обработки результатов измерений и выдачи их на регистрирующее устройство 30 задает алгоритм работы всего устройства, который описывается ниже.
Другой особенностью предлагаемого скважинного профилемера является наличие устройства для формирования азимутальной отметки, необходимой для совместной работы со встроенным инклинометром, например, на основе датчика апсидального угла при определении направления плоскости раскрытия-складывания, так называемого «первого измерительного рычага». В качестве такового используется одинаковый с другими n-1 рычагами 1 измерительный рычаг №1, а устройство для формирования азимутальной отметки выполнено в виде кинематически связанного с ним большего, чем другие по длине толкателя 31 с контакт-деталью 7, подключающей к балластному резистору 27 в процессе вращения барабана 9 при раскрытии рычагов 1 существенно меньший по величине сопротивления участок реохорда 8 по сравнению с величинами сопротивлений участков, отсчитываемых от начала его намотки контакт-деталями 7 других n-1 толкателей 6.
Кроме того, в предлагаемом скважинном профилемере для повышения точности измерений путем определения перемещения рычагов 1 расчетным путем по разности двух измерений, исключающих влияние изменяющегося с температурой сопротивления жилы кабеля в измерительной цепи, балластный резистор 11 использован в качестве резистора стандарт-сигнала, выполненного, например, в виде катушки с константановым проводом. Для этого верхняя часть барабана 9 снабжена жестко соединенным с ним цилиндрическим контактным кольцом 32, электрически связанным с коллекторным кольцом 11 щеточно-коллекторного узла и началом намотки реохорда 8. При этом контакт-деталь 7 большего по длине толкателя 31 при сложенных рычагах 1 установлена контактирующей с боковой поверхностью контактного кольца 32.
Описанный выше в исходном состоянии (при сложенных рычагах 1, как это показано на чертеже) скважинный профилемер по существу является сканирующей системой с одним измерительным каналом и одним датчиком для осуществления измерений перемещения рычагов 1 в n точках.
Скважинный профилемер работает следующим образом.
При условии обеспечения линейной зависимости снимаемых с реохорда 8 напряжений от величины раскрытия рычагов в n плоскостях осуществляют эталонирование прибора перед спуском в скважину в нормальных условиях с подключением к геофизическому кабелю либо его эквиваленту. Для чего в измерительную цепь прибора подают стабилизированный постоянный ток от источника 28 и осуществляют на выходе измерение суммарного сопротивления
к
где R - сопротивление жилы кабеля или его эквивалента;
δ
R - сопротивление балластного резистора, реализующего в данном случае функцию резистора стандарт-сигнала.
Σ
Σj
Σj
Величину сигнала, пропорционального сопротивлению R, заносят в память компьютера блока управления 26. Затем на корпус прибора одевают эталонировочное приспособление с двумя мерными кольцами минимального и наибольшего диаметров для получения на выходе измерительной схемы сигналов, пропорциональных изменению сопротивлений реохорда 8 в n точках при минимальном и максимальном значениях радиусов раскрытия рычагов 1 (расстояний от точек соприкосновения наконечников 2 с внутренней поверхностью мерных колец до оси прибора), соответствующих начальному и конечному значениям диапазона измерения радиусов. Для получения эталонировочных сигналов, используемых в дальнейшем для интерпретации текущих значений измеряемых сопротивлений, на электродвигатель 15 скважинного прибора в исходном состоянии подается от блока питания 29 управляющее напряжение постоянного тока (допустим положительной полярности). При этом условимся, что винт 16 и гайка 18 имеют правую резьбу. Тогда (при виде сверху) при вращении выходного вала 13 редуктора 14 совместно с барабаном 9 и винтом 16 по часовой стрелке гайка 18 под действием упора 21 войдет в резьбовое зацепление с винтом 16 и начнет одноподвижно перемещаться вниз до выхода из резьбового зацепления с ним на другом конце и входа в соприкосновение с упором 22 при поджатии пружины 20. При этом фиксирующий диск 3 под действием тяг 23 и 24 и штока 25 переместится в крайнее нижнее положение, обеспечивая, таким образом, n-1 толкателям 6 и толкателю 31 при помощи пружин 5 раскрытие всех рычагов 1. При продолжении вращения барабана 9 в прежнем направлении и подаче стабилизированного постоянного тока от источника 28 в измерительную цепь осуществляется съем показаний измерений, соответствующих радиусам раскрытия рычагов 1 в минимальном и наибольшем по диаметру эталонировочных кольцах. Регистрируемые сигналы, пропорциональные начальным и конечным суммарным сопротивлениям R' и R'' в количествах, соответствующих числу рычагов 1, заносятся в память компьютера блока управления 26 в последовательности, определяемой отсчетом от измерительного рычага №1, позиционирование которого осуществляется устройством для формирования азимутальной отметки. Эта отметка легко определяется в начальной фазе перемещения гайки 18 вниз при выходе контакт-детали 7 толкателя 31 с контактного кольца 32 на начало намотки реохорда 8 по существенно меньшему по величине измеряемому при этом сопротивлению. При этом эквивалентные регистрируемым сигналам измеренные начальные и конечные суммарные сопротивления электрической цепи будут иметь следующий вид:
0j
1j
где R и R - соответственно сопротивления участков реохорда 8 для каждого из рычагов 1 при начальных и конечных положениях контакт-деталей 7;
j=1, 2, 3, …, n - порядковый номер, отсчитываемый от измерительного рычага №1.
Тогда определяемые расчетным путем с помощью компьютера блока управления 26 разности измерений (2) и (1) дадут значения соответствующих эталонных сопротивлений:
эmj
Σj
Σ
0j
R'=R'-R=R;
эmj
Σj
Σ
1j
R''=R'-R=R.
Таким образом, происходит выделение полезных сигналов, т.е. сигналов, величина которых зависит только от положения контакт-деталей 7 относительно начала намотки провода реохорда 8.
При линейных статических характеристиках измерительных рычажных преобразователей уравнение преобразования для прибора, подготовленного к проведению исследования обсадных колонн в скважине, примет вид:
0
где Y - радиус раскрытия рычагов 1 в начальной точке диапазона измерений, определенный по мерному кольцу наименьшего диаметра;
j
K - коэффициент преобразования для j-го рычага 1, равный отношению величины диапазона раскрытия j-го рычага 1, определенного по мерным кольцам наименьшего и наибольшего диаметров, к величине сопротивления реохорда 8 в рабочем диапазоне перемещения j-й контакт-детали 7;
xj
R - требующее определения значение вводимого в измерительную цепь текущего сопротивления участка реохорда 8 по отношению к началу его намотки для j-го рычага 1.
Σ
После завершения процесса эталонирования прибор приводят в исходное состояние. Для чего стабилизированный источник постоянного тока 28 отключают от измерительной цепи, а на электродвигатель 15 от блока питания 29 подают управляющее постоянное напряжение обратной (отрицательной) полярности. При этом гайка 18 под действием упора 22 входит в резьбовое зацепление с винтом 16 и совершает одноподвижное перемещение вверх до выхода из резьбового зацепления с ним, приводя все элементы конструкции прибора в исходное состояние. В этом состоянии прибор, обычно оснащаемый центраторами, готов к спуску в скважину. После спуска прибора на геофизическом кабеле в скважину при нахождении в подлежащей исследованию обсадной колонне на заданной глубине в измерительную цепь подают стабилизированный постоянный ток от источника 28 и осуществляют на выходе, как и при эталонировании, измерение сопротивления R. Величина этого сопротивления в скважинных условиях зависит от температурного приращения сопротивления жилы кабеля и по этой причине по мере изменения глубины исследования обсадной колонны должна периодически корректироваться путем повторных измерений (калибровок) при остановках прибора с заданным шагом. Шаг калибровок для исследуемой скважины может быть принят равным геотермической ступени горных пород, составляющей в среднем около 33 м/°С. Такой выбор обосновывается тем, что повышение температуры на 1°С вызывает увеличение сопротивления жилы кабеля приблизительно на 0,4%, что на глубинах до 7000 м не превышает уровень разрешающей способности резистивных преобразователей, широко применяемых в скважинных каверномерах - профилемерах.
xj
После проведения калибровки прибора на заданной глубине производят раскрытие рычагов 1 и после выхода гайки 18 из резьбового зацепления с нижним концом винта 18, о чем судят по неизменности получаемых сигналов, начинают подъем прибора и регистрацию данных при продолжении вращения барабана 9 по часовой стрелке. В процессе подъема прибора до следующей заданной шагом точки калибровки с помощью компьютера блока управления 26 происходит выделение пропорциональных R сигналов путем вычитания ранее определенного при калибровке суммарного сопротивления измерительной цепи из каждого текущего суммарного сопротивления этой цепи, получаемого при подключении к ней участка реохорда 8, соответствующего своему рычагу 1. Очевидно, что при этом наиболее высокая точность разностного выделения полезных сигналов будет иметь место в начальный период подъема прибора, что может быть использовано при более частой его калибровке для проведения высокоточных детальных исследований отдельных участков обсадных колонн. Получение окончательных результатов контроля технического состояния обсадных колонн обеспечивается компьютером блока управления 26 в соответствии с алгоритмом (3) и в виде, удобном для потребителя, выдается на регистрирующее устройство 30. После завершения работ прибор со сложенными рычагами 1 и при отключенном блоке управления 26 извлекается из ствола скважины на земную поверхность.
Предлагаемый скважинный профилемер по сравнению с известными имеет следующие преимущества: более простую конструкцию и повышенную надежность работы в условиях глубоких и сверхглубоких скважин благодаря исключению необходимости применения дополнительного электропривода и реверсивной муфты, а также концевых выключателей; более широкие функциональные возможности, обеспечиваемые без включения в состав конструкции прибора радиоэлектронных элементов; более высокую точность измерений благодаря конструктивным нововведениям, обеспечивающим возможность выделения полезных сигналов по разности двух измерений
Использованные источники
1. Профилемер ПТС-2. Проспект ВДНХ СССР, Л., «Недра», 1979.
2. Кривко Н.Н., Шароварин В.Д., Широков В.Н. Промыслово-геофизическая аппаратура и оборудование: Учеб. пособие для вузов. - М.: Недра, с.256-258.
3. Зельцман П.А. Конструирование аппаратуры для геофизических исследований скважин. - М.: Недра, 1968, с.103-104.
4. Иванников В.Ф, Терещенко Ю.П. Скважинный профилемер. Авт. свидетельство №968360. 3аявл. 20.02.81, №3253791. Б.И. 1982. №39