СКВАЖИННЫЙ ИМПЛОЗИВНЫЙ ИСТОЧНИК СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
BORE-HOLE IMPLOSIVE SOURCE OF SEISMIC VIBRATIONS

Суть изобретения.
Использование: для создания импульса ударной волны на больших глубинах моря и в скважинах. Источник в скважинах в процессе их бурения во время перерывов используется для выделения объектов в области, расположенной впереди и вокруг бурящегося ствола скважины при прогнозном обращенном ВСП или при межскважинном просвечивании.
Устройство содержит: полый корпус, во внутренней двухступенчатой проточке которого с возможностью возвратно-поступательного движения установлен с уплотнениями поршень привода со штоком поршня зачистки имплозивной камеры. К верхнему концу штока поршня привода жестко крепится груз возврата поршня зачистки. На наружной двухступенчатой проточке с возможностью возвратно-поступательного движения установлена с уплотнениями подвижная гильза с поршнем. Внутренняя полость под гильзой заполнена маслом и в верхней своей части через отверстия и проточки связана с подпоршневой полостью поршня привода поршня зачистки. В нижней уменьшенного диаметра части корпуса выполнены продольные окна. Снизу к корпусу на герметичной резьбе жестко крепится гильза камеры, которая снизу закрыта муфтой, соединенной с гильзой на герметичной резьбе. В осевое отверстие муфты установлен обратный клапан, препятствующий попаданию жидкости в камеру. К муфте снизу жестко крепится нижний груз, по форме обеспечивающий вертикальное положение оси камеры. Подвижная гильза сверху жестко крепится к отсеку с сейсмическим приемником. Отсек через кабельный наконечник крепится к грузонесущему кабелю. Поршень зачистки с возможностью возвратно-поступательного движения уплотнен в гильзе камеры и сверху жестко закреплен с уплотнением к полому ползуну, который свободно вставлен и уплотнен в отверстии хвостовика, жестко закрепленного и уплотненного на штоке и ограниченого в осевом перемещении нижним буртом хвостовика. Внутри камеры под поршнем зачистки свободно с большим радиальным зазором установлен боек, который выполнен с внутренней проточкой в осевом отверстии, которая с возможностью взаимодействовать с несколькими пружинными зацепами, жестко закрепленными в нижней части поршня зачистки. Окна камеры находятся в открытом положении, когда поршень зачистки находится в крайнем верхнем положении. Рабочие площади поршня привода поршня зачистки и подвижной гильзы с поршнем подобраны так, что давление в масленой полости при натяжении кабеля создает усилие на поршне зачистки превышающее усилие на нем от гидростатического давления. По этой причине при натяжении кабеля при помощи лебедки в первый момент происходит зачистка камеры, потом открытие окон и гидравлический удар жидкости и бойка по дну муфты и только потом подъем устройства над забоем. При постановке устройства на забой и появления слабины в кабеле поршень зачистки под действием груза возврата опускается в крайнее нижнее положение, где пружинными захватами соединяется с бойком. В отсеке установлен сейсмический приемник, который по первому полученному максимальному сигналу управляет пускам сейсмостанции и передает в дальнейшем на станцию полученные им параметры отраженных волны.
Технический результат: достижение многократного повторения сейсмического импульса при строительстве скважин во время перерывов в бурении для проведения прогнозного обращенного ВСП или для межскважинного просвечивания, при которых производятся выделения объектов в области, расположенной впереди и вокруг бурящегося ствола скважины. Это все достигается без дополнительных работ по подъему и спуску колонны с использованием только каротажной лебедки. Для работы источник не требует подачи на него ни электрической энергии, ни гидравлической жидкости.
Описание изобретения:
Предлагаемое изобретение относится к устройствам для возбуждения сейсмических волн из скважин.
Известен скважинный источник патент РФ N2166779, 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 силовой кабель для подачи электрической энергии
Задачей изобретения является достижение производства многократного сейсмического импульса в скважин при их строительстве в моменты перерыва в бурении при смене инструмента без использования электрического и гидравлического привода.
п
Положительный результат достигается тем, что устройство содержит полый корпус, во внутренней двухступенчатой проточке которого с возможностью возвратно-поступательного движения установлен с уплотнениями поршень привода со штоком поршня зачистки имплозивной камеры. К верхнему концу штока поршня привода жестко крепиться груз возврата поршня зачистки. На наружной двухступенчатой проточке с возможностью возвратно-поступательного движения установлена с уплотнениями подвижная гильза с поршнем. Внутренняя полость под гильзой заполнена маслом и в верхней своей части через отверстия и проточки связана с подпоршневой полостью поршня привода поршня зачистки. В нижней уменьшенного диаметра части корпуса выполнены продольные окна. К корпусу выше окон жестко крепится кожух, который образует вокруг камеры кольцевую полость поперечным сечением, равным площади внутреннего поперечного сечения камеры. Снизу к корпусу на герметичной резьбе жестко крепится гильза камеры, которая снизу закрыта муфтой, соединенной с гильзой на герметичной резьбе. В осевое отверстие муфты установлен обратный клапан, препятствующий попаданию жидкости в камеру. Причем выходные отверстия от обратного клапана выходят выше нижнего торца кожуха. Это позволяет работать устройству на чистой жидкости с меньшей плотностью, чем жидкость в скважине, например на масле, которое перед спуском заливается в камеру. К муфте снизу жестко крепится нижний груз по форме обеспечивающий вертикальное положение оси камеры. Величина груза должна обеспечивать давление в масляной полости, достаточное для перемещения поршня зачистки вверх без отрыва устройства с забоя. Для примера рассмотрим устройство с ходом поршня зачистки 0,4 м, работающее на глубине 500 м. Диаметр поршня зачистки d=0,1411 м.
п
п
2
2
Площадь поршня зачистки составит f=3,14d /4=0,0156 м.
п
Необходимое усилие на поршне зачистки T=ΔP f=78144 H.
н
При использовании в качестве груза одной (10 м длиной) УБТ165,×57,2 с погонной массой 147,3 кг/м будем иметь вес неподвижных частей устройства порядка G=15000 H.
н
Отношение площадей привода поршня зачистки должно быть больше T/G=5,2.
Принимаем с запасом 5,5.
ш1
Диаметр приводного внутреннего штока примем d=0,03 м.
г1
Диаметр внутренней приводной гильзы примем d=0,128 м.
п1
п1
п1
ш
2
2
2
2
Площадь приводного сечения поршня зачистки будет Δf=3,14(d /4 -d /4)=0,01215 м.
п2
п1
2
Площадь приводного сечения наружного ползуна будет Δf=f/5,5=0,0022 м.
ш2
Диаметр приводного наружного штока примем d=0,146 м.
ш2
ш2
2
2
Площадь сечения приводного наружного штока f=3,14 /4=0,0167 м.
г2
ш2
п2
2
Площадь сечения приводной наружной гильзы f=f+Δf=0,0189 м.
г2
г2
0,5
Диаметр наружной приводной гильзы примем d=2(f/3,14)=0,155 м.
м
н
п2
Давление в масляной полости P=G/Δf=6,8 МПа.
уд
Ударное давление P=41,1 МПа.
На глубине 1000 м для обеспечения работоспособности источника груз должен быть в 2 раза больше, то есть необходимо будет использовать 2 трубы (по 10 м длиной) УБТ165,×57,2 общей массой 3000 кг.
п
На глубине 1000 м будет: необходимое усилие на поршне зачистки T=ΔP f=156287 H;
м
н
п2
уд
давление в масляной полости P=G/Δf=13,6 МПа; ударное давление P=41,1 МПа.
Подвижная гильза сверху жестко крепится к отсеку с сейсмическим приемником. Отсек через кабельный наконечник крепится к грузонесущему кабелю. Поршень зачистки с возможностью возвратно-поступательного движения уплотнен в гильзе камеры и сверху жестко закреплен с уплотнением к полому ползуну, который свободно вставлен и уплотнен в отверстии хвостовика, жестко закрепленного и уплотненного на штоке, и ограничен в осевом перемещении нижним буртом хвостовика. Внутри камеры под поршнем зачистки свободно с большим радиальным зазором установлен боек, который выполнен с внутренней проточкой в осевом отверстии, которая с возможностью взаимодействовать с несколькими пружинными зацепами, жестко закрепленными в нижней части поршня зачистки. Окна камеры находятся в открытом положении, когда поршень зачистки находится в крайнем верхнем положении. Рабочие площади поршня привода поршня зачистки и подвижной гильзы с поршнем подобраны так, что давление в масленой полости при натяжении кабеля создает усилие на поршне зачистки превышающее усилие на нем от гидростатического давления. По этой причине при натяжении кабеля при помощи лебедки в первый момент происходит зачистка камеры, потом открытие окон и гидравлический удар жидкости и бойка по дну муфты и только потом подъем устройства над забоем. При постановке устройства на забой и появления слабины в кабеле поршень зачистки под действием груза возврата опускается в крайнее нижнее положение, где пружинными захватами соединяется с бойком. В отсеке установлен сейсмический приемник, который по первому полученному максимальному сигналу управляет пускам сейсмостанции, установленной на устье скважины, и передает в дальнейшем на станцию полученные им параметры отраженных волны.
В процессе бурения при подъеме инструмента для замены, когда необходимо провести сейсмические прогнозные исследования прискважинной зоны ниже и сбоку от забоя, устройство на кабеле спускается на забой. При спуске поршень зачистки под действием веса основного груза через гидравлическую связь в полостях, заполненных маслом, находится в крайнем верхнем положении. При постановке устройства на забой и появления слабины в кабеле поршень зачистки под действием груза возврата опускается в крайнее нижнее положение, где пружинными захватами соединяется с бойком. При этом жидкость из камеры будет выдавливаться в кольцевую полость между камерой и кожухом. Для пуска устройства необходимо с максимальной скоростью начать выбирать лебедкой кабель. При этом в масляной полости будет создаваться давление, которое начнет двигать поршень зачистки вверх. 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 зачистки вместе с ползуном относительно хвостовика и штока вверх и резко откроет окна. Под бойком будет разряжение, заполненное парами жидкости. Боек, толкаемый потоком жидкости с большой скоростью (на глубине 500 м она примерно равна 60 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 выше описанного примера это будет давление примерно равное 41,1 МПа. Использование бойка увеличивает силу удара примерно в несколько раз, так как плотность стали почти в 7,85 раз больше плотности воды. Заполнение камеры по времени занимает менее 0,01 с. Гидравлический удар происходит еще до момента прихода штока в крайнее верхнее положение, что гарантированно защищает кабель от воздействия динамических нагрузок от гидравлического удара. Для следующего пуска устройства необходимо его поставить на забой, как описано выше. Наличие кожуха, образующего кольцевую полость с площадью поперечного сечения равной площади внутреннего сечения камеры увеличивает массу движущегося потока, что увеличивает энергию воздействия. Также кожух и верхнее положение окон камеры под ним позволяет работать устройству на чистой жидкости, так как рабочая жидкость будет из камеры попадать под кожух и затем обратно, что облегчит условия работы устройства.
Данное устройство проще по своей конструкции и по управлению пуска и подготовки к следующему пуску по сравнению с известными аналогами
На фиг.1 изображен продольный разрез устройства в момент, когда оно стоит на забое при отсутствии натяжения в кабеле.
Устройство содержит полый корпус 1, во внутренней двухступенчатой проточке 2 которого с возможностью возвратно-поступательного движения установлен с уплотнениями поршень 3 привода со штоком 4 поршня 5 зачистки имплозивной камеры 6. К верхнему концу штока 4 поршня 3 привода жестко крепиться груз 7 возврата поршня 5 зачистки. На наружной двухступенчатой проточке 8 с возможностью возвратно-поступательного движения установлена с уплотнениями подвижная гильза 9 с поршнем 10. Внутренняя полость 11 под гильзой 9 заполнена маслом и в верхней своей части через отверстия 12, 13, 14 и проточку 15 связана с подпоршневой полостью 16 поршня 3 привода поршня 5 зачистки. В нижней уменьшенного диаметра части 17 корпуса 1 выполнены продольные окна 18. К корпусу выше окон жестко крепится кожух 19, который образует вокруг камеры кольцевую полость 20. Снизу к корпусу 1 на герметичной резьбе жестко крепится гильза 21 камеры 6, которая снизу закрыта муфтой 22, соединенной с гильзой 21 на герметичной резьбе. В осевое отверстие муфты 22 установлен обратный клапан 23. Причем выходные отверстия 24 от обратного клапана 23 выходят выше нижнего торца кожуха 19. К муфте 22 снизу жестко крепится нижний груз 25. Подвижная гильза 9 сверху жестко крепится к отсеку 26 с сейсмическим приемником 27. Отсек 26 через кабельный наконечник 28 крепится к грузонесущему кабелю 29. Поршень 5 зачистки с возможностью возвратно-поступательного движения уплотнен в гильзе 21 камеры 6 и сверху жестко закреплен с уплотнением к полому ползуну 30, который свободно вставлен и уплотнен в отверстии хвостовика 31, жестко закрепленного и уплотненного на штоке 4, и ограничен в осевом перемещении нижним буртом 32 хвостовика 31. Внутри камеры под поршнем 5 зачистки свободно с большим радиальным зазором установлен боек 33, который выполнен с внутренней проточкой 34 в осевом отверстии, которая взаимодействует с несколькими пружинными зацепами 35, жестко закрепленными в нижней части поршня 5 зачистки.
В процессе бурения при подъеме инструмента для замены, когда необходимо провести сейсмические прогнозные исследования прискважинной зоны ниже и сбоку от забоя, устройство на кабеле 29 спускается на забой. При спуске поршень 5 зачистки под действием веса основного груза 25 через гидравлическую связь в полостях, заполненных маслом, находится в крайнем верхнем положении. При постановке устройства на забой и появления слабины в кабеле 25 поршень зачистки под действием груза 7 возврата опускается в крайнее нижнее положение, где пружинными захватами 35 соединяется с бойком 33. При этом жидкость из камеры 6 будет выдавливаться в кольцевую полость 20 между камерой 6 и кожухом 19. Положение, когда устройство стоит на забое или дне моря показано на чертеже. Для пуска устройства необходимо с максимальной скоростью начать выбирать лебедкой кабель 29. При этом в масляной полости будет создаваться давление, которое начнет двигать поршень 5 зачистки вверх при помощи поршня 3 привода. Вначале движения штока 4 вверх он сдвинется относительно ползуна 30 до момента, когда ползун 30 упрется в бурт 32. После этого начнется движение штока 4 с поршнем 5 и бойком 33 вверх. При движении поршня 5 из крайнего нижнего положения вверх, он будет удерживать боек 33 посредством пружинного захвата 35. Когда поршень 5 начнет открывать окна 18 скважинная жидкость под давлением начнет врываться в полость между поршнем 5 и бойком 33. Это давление потока отсоединит боек 33 от поршня 5, и реактивная сила потока сдвинет поршень 5 вместе с ползуном 30 относительно хвостовика 31 и штока 4 вверх и резко откроет окна. Под бойком 33 при движении его вместе с потоком жидкости вниз будет разрежение, заполненное парами жидкости. Боек 33, толкаемый потоком жидкости с большой скоростью, вместе с потоком ударится о дно камеры. Поток жидкости резко остановится, произойдет гидравлический удар, кинетическая энергия потока жидкости перейдет в энергию ударного давления Для следующего пуска устройства необходимо его поставить на забой, как описано выше.