СТАБИЛИЗАТОР ПРИБОРА LWD ДЛЯ РАДИОАКТИВНОГО КАРОТАЖА
LWD INSTRUMENT STABILIZER FOR RADIOACTIVE LOGGING

Изобретение касается расширения конструктивных возможностей крепления на несущем корпусе скважинного прибора стабилизатора для обеспечения центровки прибора и приближения измерительного зонда к стенке скважины.
Как известно начиная с начала 80-х годов, а очень бурными темпами с начала 2000-х годов начали развиваться системы LWD, которые по объемам выполняемых работ уже к настоящему времени начали серьезно конкурировать с измерениями проборами на кабеле.
В отличие от скважинных приборов, работающих на грузонесущем кабеле, приборы LWD испытывают повышенные нагрузки по вибрации, подвержены вращению в период роторного бурения, на интервале кривления скважины подвергаются сильному изгибающему воздействию. Например, современные приборы должны обеспечивать прохождение по стволу скважины с набором кривизны 5 градусов на 10 м.
Скважинные приборы радиоактивного каротажа, в частности приборы плотностного гамма-гамма каротажа, требуют для своей корректной работы соблюдения ряда условий. Одно из важнейших - коллимация излучаемых и регистрируемых гамма-квантов и максимальное приближение измерительной установки к стенке скважины. В основе проведения плотностного гамма-гамма каротажа (ГГК) лежит регистрация рассеянного гамма-излучения, создаваемого ампульным источником гамма-квантов. Принцип измерения объемной плотности заключается в облучении горных пород потоком гамма-квантов от источника гамма-излучения Cs-137 и регистрации рассеянных гамма-квантов двумя или более детекторами, расположенными на фиксированных расстояниях от источника и снабженными специальными коллиматорами. Зарегистрированные гамма-кванты преобразуются в потоки электрических импульсов. Средние частоты зарегистрированных электрических импульсов связаны со значением эквивалентной плотности горных пород.
Коллимационные установки физически представляют из себя экран, выполненный из наиболее плотного металла, с вырезанными в нем окнами, заполненными материалом с низкой плотностью.
В геофизических приборах, работающих на грузонесущем кабеле, реализовано прижатие измерительной установки к стенке скважины при помощи различных решений: вынос измерительной установки из тела прибора [RU 2607740 С1], собственно прижим рессорой или прижимным устройством самого прибора стороной, на которой расположена измерительная установка [RU 1653437 С, RU 2258944 С1] и т.д. В радиоактивных приборах LWD на сегодняшний день нет технической возможности реализовать прижим измерительной установки к стенке скважины во время вращения буровой колонны.
Вращение прибора LWD вокруг своей оси приводит к изменению зазора между измерительной установкой и стенкой скважины, что отрицательно сказывается на качестве проводимых измерений. Рассмотрим пример, когда диаметр компоновки низа бурильной колонны (КНБК) имеет диаметр 121 мм, при этом при бурении скважины используется долото диаметром 156 мм. Ввиду того, что при бурении горизонтальных участков скважины без применения специальных средств прибора LWD, входящий в КНБК, в подавляющем большинстве случаев лежит на дне скважины, при вращении КНБК расстояние между измерительной установкой и стенкой скважины будет изменяться от 0 до 35 мм при номинальном диаметре скважины. В интервалах кавернозности данное расхождение будет многократно увеличено.
Для оптимизации режимов измерения радиоактивными методами в процессе вращения КНБК наиболее удачным техническим решением оказалось поставить на прибор LWD стабилизатор, вписанный в диаметр наиболее приближенный с меньшей стороны к диаметру используемого долота. Тогда, в рассматриваемом нами примере при использовании стабилизатора диаметром 153 мм изменения зазора между измерительной установкой и стенкой скважины не превысит 3 мм. Расположение в стабилизаторе коллиматора позволило максимально близко приблизить измерительную установку к стенке скважины. Практически все известные и применяемые на практике приборы радиоактивного каротажа в процессе бурения скважин с измерением плотности по методу гамма-гамма каротажа используют данное техническое решение [US 5,134,285 и т.д.].
Известно несколько технических решений установки на несущий корпус стабилизаторов-коллиматоров.
В [US 5,134,285] стабилизатор-коллиматор выполнен в виде единого трехлопастного сегмента, внутренний диаметр которого позволяет надевать его на корпус прибора LWD. Для крепления такого стабилизатора-коллиматора предложено использовать резьбовое соединение, выполненное на внешней стороне прибора LWD и на внутренней стороне стабилизатора-коллиматора. Данное техническое решение имеет следующие недостатки. Первое - ввиду того, что стабилизатор-коллиматор представляет из себя целостную конструкцию, площадь скважинного пространства между внешней стороной стабилизатора-коллиматора и стенкой скважины имеет меньшие размеры, чем в случае исполнения лопастей в виде отдельных конструкционных элементов. В аналоге эту площадь занимает металл стабилизатора-коллиматора, соединяющий лопасти. Уменьшение проходной площади носит негативный характер, т.к. в этом месте возрастает гидравлическое сопротивление буровому раствору, увеличивается скорость потока и, как следствие, ускоряется абразивное разрушение конструкции. Так же к недостаткам можно отнести, что необходимость вращения стабилизатора-коллиматора относительно внешней поверхности прибора LWD не позволяет вынести измерительную часть зонда ГГК за пределы внешнего диаметра прибора LWD. Что ограничивает степень приближения детекторов к стенке скважины.
Так же известно техническое решение [US 6,666,285], где стабилизатор-коллиматор представляет из себя целостную конструкцию, в одной из лопастей которой есть паз, для размещения в нем зондовой части прибора LWD, выступающей за пределы корпуса. Тем самым обеспечивается максимальное приближение детекторов зонда к стенке скважины.
Крепить данный стабилизатор-коллиматор можно разными способами, например [EUROPEAN PATENT APPLICATION 0 633 388 А2]. Здесь фиксация от смещения производится путем болтовой затяжки. Недостаток такой конструкции такой же, как и предыдущей - сужение площади для прохода бурового раствора напротив стабилизатора-коллиматора приводящее в этом месте к возрастанию гидравлического сопротивления буровому раствору, увеличению скорости потока и, как следствие, ускорению абразивного разрушения конструкции.
Наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату является [US 5,447,207]. Здесь 3 лопасти стабилизатора конструктивно выполнены отдельно друг от друга. Причем конструкция лопасти стабилизатора, закрывающего блок детектирования, имеет внутреннюю полость, в которой могут располагаться зондовые компоненты, делая их расположение наиболее близко к стенке скважины. Так же между лопастями стабилизатора имеются локальные выточки в теле трубы, увеличивающие площадь между внешней поверхностью прибора в районе расположения стабилизатора-коллиматора и стенкой скважины. Лопасти стабилизатора ставятся вертикально на свои посадочные места и фиксируются от выпадания зажимом, который, в свою очередь, фиксируется на приборе болтами. Однако эта конструкция имеет следующий недостаток. Лопасти стабилизатора выполняются из твердосплавного материала, обладающего повышенной жесткостью и твердостью. Изгибы корпуса прибора, которые происходят в интервале кривления ствола скважины, передаются непосредственно на лопасти. При этом возникающие нагрузки могут переломить лопасть стабилизатора, являющейся более хрупкой деталью нежели корпус LWD прибора.
Так же близко техническое решение о креплении крышек стабилизатора с расположенными внутри него измерительными системами [US 2003/0062156 А1] болтами непосредственно к корпусу прибора LWD. При всей простоте и надежности данного технического решения вопрос о целостности закрывающей лопасти и крепящих ее болтов при изгибе прибора LWD остается актуальным.
Выкручивание или обрыв болтов, вырывание оснований упора болтов на крышке лопасти может привести к аварийной ситуации, потери твердосплавного компонента прибора LWD, его попадание на забойный двигатель и выход из строя всей системы.
Предлагаемое изобретение решает задачу повышения надежности и сохранности лопастей стабилизатора и крепежных болтов за счет снятия переменной нагрузки на применяемые болты и уменьшения ломающего момента жесткой твердой лопасти путем придания ей гибкости разделением ее на несколько частей, при этом разделенные части не крепятся к корпусу прибора LWD болтами.
Поставленная задача решается за счет того, что в корпусе прибора LWD делаются углубления типа «ласточкин хвост», в стороне от углубления делается площадка-углубление, через которую в «ласточкин хвост» будут заводиться фрагменты лопасти стабилизатора. После сборки в посадочных пазах «ласточкиного хвоста» всего комплекта лопасти стабилизатора в заходную площадку-углубление вставляется запирающий замок. Запирающий замок представляет из себя пластину, не выступающую за габариты корпуса прибора LWD и, соответственно, не подвергающуюся ударному воздействию внешней среды. Основная роль запирающего замка препятствовать продольному перемещению фрагментов лопасти стабилизатора обратно к площадке-углублению, через которую они были вставлены в паз типа «ласточкин хвост». От выпадания замок удерживают болты, закрученные в тело прибора LWD. Утопленный ниже верхнего края стабилизаторов запирающий замок не испытывает никаких ударных нагрузок, нагрузок на вырывание и излом. Ввиду того, что все элементы лопасти и замок по длине в несколько раз короче цельной лопасти, такая конструкция приобретает дополнительную гибкость и стойкость к разрушению, возникающему при изгибе прибора LWD.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение надежности прибора LWD к разрушению при вибрационном и изгибающем воздействии.
Техническая сущность изобретения поясняется рисунками, где на Фигуре 1, Фигуре 2, Фигуре 3 приведены внешний вид и разрез устройства в плоскости А-А.
Устройство содержит корпус 1 прибора LWD, блок коллимационный 2, с расположенными в нем элементами зондового устройства, фрагменты лопасти стабилизатора 3, паз «ласточкин хвост» 4 в корпусе прибора LWD, площадка-углубление 5 для завода фрагментов лопасти стабилизатора, упор 6 для фрагментов стабилизатора в пазу «ласточкин хвост», запирающий замок 7, болты фиксации запирающего замка 8.
На Фигуре 3 показана очередность сборки лопастей стабилизатора.
Устройство работает следующим образом.
После установки в корпус прибора 1 блока коллимационного 2 через площадку-углубление 5 заводится первый фрагмент лопасти стабилизатора 3. Установленный фрагмент лопасти стабилизатора 3 сдвигается по пазу «ласточкин хвост» 4 до упора в сторону, противоположную расположению площадки-углубления 5 относительно коллимационного блока 2. В этом положении паз «ласточкин хвост» 4 удерживает установленный фрагмент лопасти стабилизатора 3 от его перемещения вверх, упор 6 от перемещения в продольном направлении от площадки-углубления 5. После этого процедура сборки лопасти стабилизатора из отдельных фрагментов повторяется до полной сборки стабилизатора. Затем в площадку-углубление 5 вставляется запирающий замок 7. Конструктивно его длина подбирается таким образом, чтобы после его установки любые продольные перемещения в пазу «ласточкин хвост» отдельных фрагментов лопастей 3 стабилизатора были исключены. От выпадания запирающего замка 7 из корпуса прибора 1 удерживают несколько болтов фиксации 8.
Предлагаемое устройство позволяет повысить надежность установки лопастей стабилизатора на корпус прибора LWD и придает установленным лопастям стабилизатора гибкость.
Литература:
1. RU 2607740 С1 Устройство определения плотности горных пород, пересекаемых буровой скважиной
2. RU 1653437 С Устройство для гамма-гамма-каротажа скважин
3. RU 2258944 С1 Устройство для гамма-гамма-каротажа скважин
4. US 5,134,285 Formation density logging MWD apparatus
5. US 6,666,285 Logging-while-drilling apparatus and methods for measuring density
6. EUROPEAN PATENT APPLICATION 0 633 388 A2 Drilling stabilizer
7. US 5,447,207 Downhole tool
8. US 2003/0062156 A1 Downhole gauge carrier apparatus