УСТРОЙСТВО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОНТАКТА ЭЛЕКТРОДОВ КАРОТАЖНОГО ПРИБОРА С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОБСАДНОЙ КОЛОННОЙ

Полезная модель относится к геофизическим исследованиям скважины и предназначена для приборов, измеряющих удельное электрическое сопротивления горных пород, окружающих обсаженную металлической колонной скважину в условиях значительной загрязненности стенки продуктами коррозии, цемента, парафинов, асфальтовых отложений, а также может найти применение в качестве прижимных устройств каротажных приборов.
Известно устройство для контакта электровводов с обсадной колонной в многоэлектродном скважинном зонде электрического каротажа через металлическую колонну в условиях значительной коррозии стенки обсадной колонны [1].
Оно состоит из корпуса, последовательно и равно-удаленно расположенных вдоль оси скважины трех измерительных электродов и установленных за пределами измерительных симметрично относительно среднего измерительного электрода двух токовых электродов, гидропривода, связанного через исполнительные механизмы с выдвижными рычажными самоскладывающимися центраторами, на которых размещены электроды в виде твердосплавных шипов с подпружиненными цилиндрическими) направляющими. Электроды выполнены в виде конусного острия, внедряемого в обсадную колонну. В устройстве предусмотрен специальный предохранительный блок срабатывающий от воздействия кабеля, предназначенный для складывания электродов при отказе гидропривода, когда электроды прижаты к обсадной колонне.
Недостатком устройства является сложность конструкции исполнительных механизмов, невысокая надежность предохранительного устройства в случае отказа привода. Исполнительный механизм представляет собой сложную телескопическую систему из трех полых стаканов с размещенным в них ^сильфона, в который подается давление от гидропривода. Телескопическая система хорошо воспринимает осевые нагрузки, но при поперечных высоких нагрузках из-за зазоров в сопрягаемых поверхностях цилиндров, которые имеют малую опорную базу будет подклиниваться. В аварийной ситуации когда телескопическая система может испытывать с одной стороны натяжение кабеля в несколько тысяч ньютон, с другой - вес прибора с весом утяжелителя. Внедрившиеся острия электродов бороздят колонну, а телескопическая система испытывает мощные изгибные нагрузки. Положение может осложниться наличием в скважинной жидкости твердых частиц - продуктов коррозии обсадной колонны, которые способствуют несанкционированному стопорению телескопической системы и направляющих электрода. В результате вероятность оставления прибора в скважине высокая.
Работа устройства состоит из операций выдвижения электровводов, их прижатия к стенке скважины, периодического механического воздействия на электровводы гидравлическим приводом путем последовательной многократной подачи и сброса увеличивающегося импульсного давления. Эффективность обеспечения электрического контакта с колонной при этом способе низкая. Время, за которое происходит «накачка» (прижатие электродов к стенке) составляет 20-30 секунд, время «отпускания» (складывания электродов) составляет 1-5 секунд. Таким образом, время периода воздействия электродов на стенку составит 21-35 секунд, что снижает скорость проведения каротажа. Это очень плавное воздействие на электровводы, которое передается через упругую среду (весь объем рабочей жидкости гидропривода, находящийся под рабочим давлением). Импульсы давления жидкости, генерируемые электромагнитом, не могут оказывать существенного влияния на процесс обеспечения контакта, поскольку амплитуда давления импульса не может быть высокой по причине малого соотношения объема впрыскиваемой жидкости ко всему объему рабочей жидкости гидропривода, находящемуся под рабочим давлением. Эти импульсы успешно гасятся не только этим объемом, но еще и полимерными шлангами и гофрами с низким модулем упругости, которые имеются в приводе. При этом энергия импульса распределяется, согласно закону Паскаля на все имеющиеся электроды одновременно. Можно сказать, что в данном устройстве обеспечение контакта электровводов с колонной происходит под воздействием статической нагрузки, чем затрудняется прорезание твердых отложений на стенке колонны до основного металла, теряется время на повторные попытки обеспечения контактов чем снижается скорость проведения каротажа.
В качестве прототипа устройства выбрано прижимное устройство электрического каротажа обсаженных скважин [2].
Это устройство состоит из корпуса, привода с выходным валом, механизмами, связанными с электродами. Электроды расположены вдоль оси прибора и связаны последовательно через рычаги с соответствующим механизмом, который обеспечивает их упругое прижатие к стенке скважины. Механизм содержит соосно выполненные с валом обойму, в которой установлены рычаги, пружину, винт и гайку с винтовыми гребнями. Винт выполнен непосредственно на валу и постоянно находится в винтовом взаимодействии с гайкой. На гайке выполнена проточка в которой установлены обойма и пружина, постоянно поджимающая обойму. Привод имеет концевые выключатели со специальным механизмом, для автоматического отключения привода в конечных положениях.
Недостатком устройства является слабая эффективность обеспечения электрического контакта колонны с электродами, что обусловлено наличием загрязненного и корродированного слоя на обсадной колонне. Это влияет на качество полученных материалов при каротаже. Для надежного контакта с колонной приходится проводить специальные работы по очистке скважины, привлекая специальную технику и специалистов, а это сказывается на увеличении цены проводимых работ и времени исследований. Кроме этого в данной конструкции сложно обеспечить в процессе эксплуатации возвращение в исходное положение электродов. Причиной этого является наличие в конструкции изменяющихся зазоров по причине износа и упругой деформации элементов конструкции. Также существует сложность их установки в исходное положение, чтобы рычаги не выступали за габарит прибора и не мешали перемещению прибора в скважине. Это обстоятельство связано с разбросом размеров в пределах допусков, когда суммарное поле допусков может колебаться в широких пределах, а также с относительным положением винтовых пар. Данная причина вынуждает вводить в конструкцию всевозможные регулировки и компенсаторы для устранения зазоров и выводить в начальное положение индивидуально каждую винтовую пару, что осложняет сборку, настройку и эксплуатацию данной конструкции. Положение усугубляется, если винтовые пары будут иметь разные шаги и величину хода. Подобная задача возникает в наклонных и горизонтальных скважинах, когда необходимо произвести более раннее раскрытие центраторов, связанных с тем же приводом, что и электроды, чтобы врезающиеся в колонну электровводы затем равномерно прижались по диаметру скважины и не препятствовали поперечному движению перемещению прибора, перегружая привод. Некачественно прижатые электровводы снижают качество каротажа.
Целью создания полезной модели является надежное, быстрое обеспечение контакта с исследуемой поверхностью скважины и автоматическое возвращения в исходное положение всех центраторов и электродов при реверсе выходного вала независимо от величины хода, относительного положения или шага винтовых пар, упрощение конструкции, процесса сборки и наладки устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство, состоящее из корпуса, привода с выходным валом, нескольких электродов, расположенных вдоль оси скважины, каждый из которых, последовательно связан через рычаги с соответствующими механизмами, содержащими соосно выполненные с валом обоймы, связанные с рычагами, пружины, винтовые пары, включающие винты и гайки с винтовыми гребнями, на валу введены по три упора для каждой винтовой пары, между первыми и вторыми упорами размещены обоймы, а между вторыми и третьими упорами размещены винты и пружины, винты и гайки образуют поступательные пары с валом и корпусом соответственно, с возможностью их выхода из винтового взаимодействия в противоположных направлениях и генерации ударных нагрузок концами винтовых гребней при обеспечении их упругого поджатия пружинами.
Устройство состоит из корпуса, электромеханического привода с выходным валом, управляемых центраторов и электродов с электровводами, которые через рычаги и механизмы связаны с выходным валом. На фиг.1 схематично изображено устройство (привод не показан) где электрод представляет собой центратор с электровводами, выполненными в виде роликов. Электроды связаны с выходным валом через механизм. Верхние рычаги 9 связаны с корпусом 1 прибора, а нижние - с обоймой 8 при помощи осей 16. Рычаги 9 связаны между собой осями 13, На верхних рычагах 9 установлены электроды 14, выполненные в виде шипов. Механизм представляет собой подпружиненную винтовую пару. Элементы механизма расположены между упорными кольцами 3, 4, 5. Кольца 3 и 4 выполнены упругими и установлены в канавках выходного вала 2. Кольцо 5 выполнено жестким и фиксируется на валу 2 штифтом 17. Рычаги 9 закрыты, при этом винт 6 выведен из винтового взаимодействия с гайкой 10 и прижат пружиной 7 через шайбу 12 и гайку 10 к упору 4, при этом винтовые боковые поверхности гребней винта 6 и гайки 10 прижаты между собой. Винт 6 при помощи паза 20 и шпонки 15 образует с валом 2 поступательную пару, а гайка 10 при помощи сухаря 18 и паза 19 образует поступательную пару с корпусом 1.
Раскрытие рычагов происходит следующим образом. Механизм находится в закрытом положении, фиг.1. При вращении вала 2 и связанного с ним винта 6, витки гребня гайки 10 вступают в винтовое взаимодействие с витками гребня винта 6, гайка 10 перемещается вверх. При дальнейшем вращении вала обойма 8 вместе с гайкой 10 начинает перемещаться вверх относительно корпуса 1. Рычаги 9 раскрываются. В момент, когда прижимные зонды, центраторы или электроды достигнут стенки скважины, гайка 10 вместе с обоймой 8 остановятся. При этом винт 6, вращаясь, начнет перемещаться вниз относительно вала 2, сжимая пружину 7, до тех пор, пока не выйдет из винтового взаимодействия с гайкой 10, фиг.2. В этот момент, под действием пружины 7, произойдет резкое соскакивание (на величину шага) резьбы винта с резьбы гайки, т.е. произойдет удар винта 6 по гайке 10. Удары винта 6 передаются через гайку 10, обойму 8 и рычаги 9 на электровводы 14, которые начинают энергично внедряться в стенку скважины. При дальнейшем вращении вала и связанного с ним винта, удары будут повторяться. При остановке вращения вала 2, упругое действие сжатой пружины 7 будет передаваться через шайбу 12 с обоймой 8, через винт 6 на гайку 10, рычаги 9, электровводы 14, обеспечивая тем самым их упругое поджатие к стенке скважины. Если раскрытие механизма происходит вне скважины, например, для проверки работы прибора, рычаги будут раскрываться до тех пор, пока обойма 8 не дойдет до кольца 3 на валу, ограничивая тем самым величину их максимального раскрытия.
Закрытие рычагов происходит следующим образом. Механизм находится в раскрытом положении, как показано на фиг.2. Рычаги механизма раскрыты до контакта со стенками скважины, при этом винтовые боковые поверхности гребней винта 6 и гайки 10 прижаты пружиной 7. При реверсивном вращении вала 2 и связанного с ним винта 6, винт, под действием пружины 7, будет закручиваться в гайку 10, перемещаясь при этом вверх до упора в кольцо 4. Дальнейшее реверсивное вращение вала 2 и связанного с ним винта 6 приведет к тому, что гайка 10 начнет перемещаться вниз и будет увлекать обойму 8 за собой. Рычаги 9 закроются. При дальнейшем реверсивном вращении вала 2 и связанного с ним винта 6, резьба винта выходит из винтового взаимодействия с резьбой гайки 10 поэтому складывание всех рычагов, независимо от величин ходов и шагов винтовых пар произойдет непременно с небольшой разницей во времени без использования устройств с концевыми выключателями.
Конструкция устройства может иметь варианты. Например, для удобства сборки, как показано на фиг.3, упоры вала установлены на дополнительной детали, представляющую собой гильзу 21. Устройство может быть выполнено с дополнительной пружиной 11, как показано на фиг 3, здесь необходимость в шайбе 12 (фиг.1, 2) отпадает. Дополнительная пружина 11 может быть установлена как показано на фиг.4, здесь поджатие винтовой пары осуществляется через дополнительную обойму 22.
Винтовые гребни винта и гайки могут быть выполнены многозаходными. Это улучшает центровку, снижает контактные напряжения, повышает долговечность, снижает вероятность заклинивания. Для снижения трения и повышения к.п.д. в механизмах прибора поступательные и вращательные пары трения могут быть выполнены с телами качения. Например, вместо шпонки 7 могут быть установлены шарики или ролики, а вместо шайбы 12 - упорный подшипник.
Электровводы могут иметь любую форму, доступную для технологических возможностей изготовителя, обеспечивающую надежное внедрение в стенку колонны.
Таким образом, в отличие от прототипа, предлагаемая конструкция устройства позволяет производить открытие и закрытие электродов (центраторов), без концевых выключателей. Кроме этого, винтовые пары могут иметь различные параметры шага резьбы и величины хода. В механизмах центраторов, не имеющих врезающихся электродов, целесообразно иметь увеличенный шаг, чтобы в момент раскрытия, когда прибор находится на стенке наклонной скважины, врезающиеся электроды не цеплялись за стенки и не препятствовали установке прибора по оси скважины. В противном случае произойдет изменение измерительной базы, что снизит качество производимых замеров. Время открытия/закрытия прибора будет определяться механизмом с максимальным временем работы. При этом износ осей и рычагов прибора не изменит надежного прилегания рычагов к прибору при закрывании механизмов. Винтовые пары изначально могут находиться в любых относительных положениях. При первом же включении привода в любом направлении, через время, соответствующее полному открытию/закрытию механизмов, элементы прибора будут находиться в одном из крайних положений. Это также упрощает сборку и наладку прибора, исключает рутинную подгонку значительного числа элементов прибора при установке их в начальные положения. Эффективным положительным свойством конструкции является возможность внедрять электроды ударным путем в стальную поверхность обсадной колонны, обеспечивая надежный электроконтакт независимо от нежелательных отложений на стенке в виде асфальтов, парафинов, окислов железа, цемента, песка, глины и т.д. Пружина может иметь рабочее усилие до нескольких сот килограммов. На практике, как показал опыт, достаточно иметь нескольких десятков килограммов, чтобы легко одним ударом прорубить нежелательные отложения на колонне. Периодическое воздействие ударами позволяет очистить зону контакта от осколков и внедрить электровводы в тело колонны. Этим обеспечивается точность измерений и достоверность информации при каротаже. При отказе привода, если раскрыты рычаги, устройство легко извлекается, что неоднократно было проверено на практике. Положительные качества нового устройства были достигнуты с упрощением конструкции, благодаря признакам, включенным в отличительную часть формулы изобретения.
Конструкция устройства проверена в скважинных условиях. Результаты полученных материалов показывают высокое качество и увеличение скорости каротажей, работа устройства показала надежность, технологичность, удобство в обслуживании. Готовится выпуск партии приборов электрического каротажа обсаженных скважин с устройством, соответствующим данному изобретению.
1.Способ и устройство электрического каротажа обсаженной скважины, RU 2306582, 21.11.2005.
2. Устройство электрического каротажа обсаженных скважин, RU 2 361 245, 19.02.2008.