СКВАЖИННЫЙ ИМПЛОЗИВНЫЙ ИСТОЧНИК СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
IMPLOSIVE DOWNHOLE SEISMIC SOURCE

Суть изобретения.
Использование: для возбуждения сейсмических волн из скважин.
Источник содержит: рабочую камеру под атмосферным давлением; отсек гидравлического привода с насосом, приводимым от забойного двигателя, крепящегося к бурильной колонне, и компенсатор, заполненные гидравлической жидкостью (далее - масло), служащие для привода поршня зачистки рабочей камеры и привода поршня пускового клапана; прочный отсек управления с датчиком давления в нагнетательном трубопроводе насоса, с датчиком числа оборотов забойного двигателя, с аппаратурой управления и с источником автономного питания. Рабочая камера в верхней части имеет обратный клапан и ряд радиальных окон, которые перекрываются дифференциальным поршнем с возможностью возвратно-поступательного движения и имеющим плунжер, который входит в пусковую полость гидравлического привода. Давление в пусковой полости всегда больше или равно скважинному давлению посредством обратных клапанов, связывающих пусковую полость с отсеком гидропривода. Усилие, создаваемое давлением окружающей среды на дифференциальном поршне, воспринимается маслом в пусковой камере, которое удерживает плунжер дифференциального поршня в положении, в котором окна закрыты. Гидравлическая система посредством трехпозиционного распределителя с электромагнитным приводом имеет три положения: среднее положение, при котором трубопровод, подающий масло на движение поршня зачистки вверх и в полость над поршнем привода пускового клапана, перекрыты, нагнетательный трубопровод насоса связан с компенсатором; положение пуска, при котором трубопровод, подающий масло на движение поршня зачистки вверх и в полость над поршнем привода пускового клапана, открыты и соединены с нагнетательным трубопроводом насоса, а полость над поршнем привода зачистки соединена с компенсатором; положение возврата в исходное положение, при котором трубопровод, подающий жидкость на движение поршня зачистки вверх и в полость над поршнем привода пускового клапана, соединены с компенсатором, а пусковая полость и полость над поршнем привода зачистки соединена с нагнетательным трубопроводом насоса. На нагнетательном трубопроводе насоса установлен предохранительный клапан для сброса избытков давления в компенсатор. Датчик оборотов служит для подачи сигнала на переключение распределителя в положение пуска и сигнала на включение регистрирующей аппаратуры и является источником питания с приводом от вала забойного двигателя. Датчик давления, подключенный к нагнетательному трубопроводу насоса, служит для подачи продолжительного сигнала при работе насоса на предохранитель на переключение распределителя в положение возврата и подачи следующего продолжительного сигнала на переключение распределителя в среднее положение.
Технический результат: достижение многократного повторения сейсмического импульса при автоматическом процессе закрытия окон и подготовке к следующему пуску в наклонных и горизонтальных скважинах.
Описание изобретения:
Предлагаемое изобретение относится к устройствам для возбуждения сейсмических волн из скважин.
Известен скважинный источник по патенту РФ N2166779 от 10.05.2001 (Классы патента: G01V 1/135, G01V 1/52), выбранный 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 камере, размещена газовая полость. Это очень сложное механическое устройство, использующее электрически двигатель, редуктор, управляемую двухпозиционную муфту, электромагнитный способ включения источника в работу. Для работы с таким источником необходимо иметь грузонесущий кабель для подачи электрической энергии. При спуске источника на кабеле затруднительно его перемещать и производить выдачу сигналов на сильно наклоненных и на горизонтальных участках скважин.
Задачей изобретения является достижение максимальной мощности сейсмического импульса в сильно наклоненных и горизонтальных участках скважин.
Положительный результат достигается тем, что источник содержит забойный двигатель, крепящийся к бурильной колонне; рабочую камеру под атмосферным давлением; компенсатор, заполненный маслом; гидроцилиндр привода поршня зачистки; отсек гидравлического привода с насосом, приводимым от забойного двигателя, с гидравлической аппаратурой, служащие для работы гидроцилиндра привода поршня зачистки и привода поршня пускового клапана; прочный под атмосферным давлением отсек управления с датчиком давления от нагнетательного трубопровода насоса, с датчиком числа оборотов насоса, с источником автономного питания и с аппаратурой управления. Рабочая камера в верхней части имеет обратный клапан для однонаправленного прохода рабочей жидкости из камеры в скважину и ряд радиальных окон, которые соединяют камеру с окружающим пространством. Открываются и закрываются окна дифференциальным поршнем при его возвратно-поступательном движении. В верхней части дифференциального поршня выполнен плунжер, который входит в пусковую полость гидравлического привода. Давление масла в пусковой полости всегда больше или равно скважинному давлению посредством обратных клапанов, связывающих пусковую полость с отсеком гидропривода, заполненным маслом. Усилие, создаваемое давлением окружающей среды на дифференциальном поршне, воспринимается маслом в пусковой камере, которое удерживает плунжер дифференциального поршня в положении, при котором окна закрыты. Гидравлическая система посредством трехпозиционного распределителя с электромагнитным приводом имеет три положения: среднее положение, при котором трубопровод, подающий масло для обеспечения движения поршня зачистки вверх и в полость над поршнем привода пускового клапана, перекрыт, нагнетательный трубопровод насоса связан с компенсатором; положение пуска, при котором трубопровод, подающий масло на движение поршня зачистки вверх и в полость над поршнем привода пускового клапана, открыт и соединен с нагнетательным трубопроводом насоса, а полость над поршнем привода зачистки соединена с компенсатором; положение возврата в исходное положение, при котором трубопровод, подающий масло на движение поршня зачистки вверх и в полость над поршнем привода пускового клапана, соединен с компенсатором, а пусковая полость и полость над поршнем привода зачистки соединены с нагнетательным трубопроводом насоса. На нагнетательном трубопроводе насоса установлен предохранительный клапан для сброса избытков масла в компенсатор при превышении установленного давления. Датчик оборотов дает сигнал на переключение распределителя в положение пуска и сигнал на включение регистрирующей аппаратуры. Датчик давления дает продолжительный сигнал на переключение распределителя в положение возврата и следующий продолжительный сигнал на переключение распределителя в среднее положение.
ударн
Высокое гидростатическое давление, присутствующее в скважине на больших глубинах, своим перепадом по отношению к атмосферному давлению в камере создает на дифференциальном поршне усилие, которое сдвигает поршень в верхнее положение, при котором окна открыты. Движению дифференциального поршня вверх препятствует масло в пусковой полости, которая закрыта обратным и пусковым клапаном. Пока пусковой клапан закрыт, давление под ним в пусковой камере удерживает плунжер дифференциального поршня в нижнем положении и перекрывает входные окна в камере. Чтобы открыть окна, необходимо соединить пусковую полость с компенсатором, для этого необходимо подать масло из напорного трубопровода при переводе распределителя в пусковое положение в поршневой привод пускового клапана. В момент, когда рабочая жидкость, подаваемая по колонне, раскрутит забойный двигатель с присоединенным к нему насосом гидравлической системы до рабочих оборотов, датчик оборотов даст сигнал на распределитель, и последний перейдет в положение пуска, при котором напорное давление от насоса переместит поршень привода пускового клапана и откроет его. В момент, когда пусковая полость соединится с компенсатором, дифференциальный поршень начнет движение вверх, открывая окна камеры, и скважинная жидкость с высокой скоростью устремится в камеру, создавая на поршне усилие, величина которого на порядок превышает начальное усилие, так как оно создается давлением жидкости уже на всей площади поршня (при закрытых окнах это усилие создавалось на площади плунжера и разности площадей юбок дифференциального поршня). Это усилие будет разгонять и удерживать дифференциальный поршень в крайнем верхнем положении до момента, когда ударное давление жидкости, столкнувшейся с поршнем зачистки, прокатившись несколько раз до окон и обратно, полностью не исчезнет. Скорость ударной волны С будет определяться упругостью трубы и жидкости. Чем «жестче» труба и жидкость, тем скорость будет выше.
Н.Е.Жуковским была получена формула для расчета величины скорости распространения ударной волны в тупиковом трубопроводе.
ж
где Е и Е - модули упругости жидкости и стенок трубы соответственно;
d - диаметр трубы;
t - толщина стенок трубы;
ρ - плотность жидкости.
Скорость распространения ударной волны в реальной камере
ударн
ж
0,5
С=1/[(ρ/Е+ρd/(tЕ)]=1360 м/с,
ж
9
10
3
где Е=2,06*10Па, d=0,1397 м, t=0,0092 м, Е=2,1*10 Па, ρ=1000 кг/м.
скв
к
скв
0,5
6
0,5
v=φ[(Р-Р)]2/ρ]=0,8[(30-0,1)]*10*2*/1000]=196 м/с - скорость жидкости при заполнении камеры на глубине 3000 м (Р=30 МПа).
К примеру, время заполнения этой камеры объемом 20 л будет:
кам
t=V/(v·F)=0,02/(196*0,01155)=0,0088 с,
3
2
где V=0,02 м - объем рабочей камеры, F=0,01155 м - площадь впускных окон при равенстве их площади внутреннего поперечного сечения камеры с внутренним диаметром 121 мм.
уд
ударн
Время выравнивания давления в камере со скважинным давлением проходит примерно за 4 хода ударной волны от затвора до окон и обратно и тогда составит: t=8L/С=8*1,6/1360=0,001 с, где L=1,6 м - высота камеры объемом 20 л. Общее время от открытия пускового клапана и до выравнивания давления в камере со скважинным давлением не превысит 0,1 с. В этом положении распределителя гидравлическая жидкость одновременно подается под поршень привода поршня зачистки, но по причине краткосрочности процесса выхлопа он практически не переместится в этот период. После заполнения камеры скважинной жидкостью она начнет выдавливаться поршнем зачистки, вначале через окна, а когда хвостовик его войдет в полость в дифференциальном поршне - через обратный клапан. В крайнем верхнем положении поршня зачистки он упрется через дифференциальный поршень в верхнюю крышку камеры, и давление, создаваемое насосом, начнет сбрасываться через предохранительный клапан гидравлической системы. После получения длительного сигнала повышенного давления в напорном трубопроводе, подаваемого датчиком давления в аппаратуру управления, она даст команду на перевод распределителя в положение возврата. При этом давление от насоса будет направлено в пусковую камеру и в полость над поршнем привода поршня зачистки. Дифференциальный поршень вместе с поршнем зачистки двинется вниз до упора в бурт на гильзе камеры и перекроет выхлопные окна. Поршень зачистки будет двигаться до своего крайнего нижнего положения. После остановки поршня зачистки давление в системе начнет повышаться, и после получения длительного сигнала повышенного давления в напорном трубопроводе, подаваемого датчиком давления в аппаратуру управления, она даст команду на перевод распределителя в среднее положение. При этом нагрузка на забойный двигатель резко снизится, так как насос будет работать в холостом режиме, и давление на устье упадет, что четко можно отметить. После этого необходимо уменьшить производительность насосных агрегатов или остановить их, чтобы подготовить датчик числа оборотов к производству источником следующего сигнала. Источник готов к следующему пуску. Для пуска источника требуется только подать необходимый расход рабочей жидкости на забойный двигатель. Открытие окон и остальные процессы по подготовке его к следующему пуску происходят автоматически. Данное устройство может быть работоспособно даже при протечках скважинной жидкости в камеру и масла из напорной части в компенсатор, если они не превышают определенного предела. При заполнении камеры при долгом ее нахождении в скважине необходимо произвести первый неполноценный выхлоп, при котором будет выдавлена вся жидкость из камеры через обратный клапан, и затем сразу выполнить рабочий выхлоп. Данное устройство проще по своей конструкции и по управлению пуском, и подготовки к следующему пуску по сравнению с известными аналогами и может быть использовано на сильно наклоненных и на горизонтальных участках скважин.
На чертеже изображен поперечный разрез скважинного источника.
Скважинный источник сейсмических импульсов содержит корпус 1, забойный двигатель 2, который крепится к колонне труб 3. Корпус 1 разделен на отсеки: отсек управления 4, отсек гидроаппаратуры 5, пусковой отсек 6, рабочая камера 7, гидроцилиндр 8 привода поршня зачистки 9 и компенсатора 10. Рабочая камера 7 имеет в верхней части обратный клапан 11, окна 12, выходящие в скважину и герметично перекрываемые дифференциальным поршнем 13 с плунжером 14. Дифференциальный поршень 13 ограничен в движении вниз при полностью закрытых окнах 12 буртом 15. В нижней части камеры 7 установлен с уплотнениями поршень зачистки 9, который посредством штока 16 жестко соединен с поршнем 17. В пусковом отсеке 6 выполнена полость 18, заполненная маслом и связанная с отсеком 5 каналом 19, который перекрывается пусковым клапаном 20, также полость 18 связана с полостью 21 над поршнем 22 пускового клапана 20 трубопроводом 23. В отсеке гидроаппаратуры 5 в верхней части закреплен насос 24, на который передается вращение от забойного двигателя 2 посредством вала 25, также закреплен распределитель 26, предохранительный клапан 27. Насос 24 напорным трубопроводом 28 соединяется с предохранительным клапаном 27 и распределителем 26, всасывание у насоса производится прямо из отсека 5, который заполнен маслом и связан трубопроводом 29 с компенсатором 10. Трубопровод 30 связывает распределитель 26 с полостью 18 через обратный клапан 31 и с полостью под поршнем 17. Трубопровод 32 связывает напорный трубопровод 28 с датчиком давления 33. В отсеке управления 4 размещается источник питания 34, выполняющий дополнительную функцию датчика числа оборотов с приводом от вала 25, и блок аппаратуры 35.
В исходном состоянии, как изображено на чертеже, внутренние полости камеры свободны от скважинной жидкости и находятся под атмосферным давлением, окна 12 герметично закрыты поршнем 13. Поршень 13 с плунжером 14 совместным действием гидростатического давления и давления масла в полости 18, закрытой обратным клапаном 31 и пусковым клапаном 20, прижат к внутреннему бурту 15 камеры 7, образованному переходом большей проточки в меньшую проточку. Источник на колонне труб находится в рабочих координатах в скважине. Для пуска источника на устье скважины необходимо включить насосные агрегаты, подсоединенные к колонне труб 3. Забойный двигатель 2 совместно с насосом 24 при увеличении производительности насосных агрегатов начнет разгоняться, и когда его обороты достигнут номинальных, по сигналу датчика числа оборотов 34 блок аппаратуры 35 даст команду на перевод распределителя в пусковое положение. При этом масло под рабочим давлением по трубопроводам 28 и 23 направится к пусковому клапану 20 и откроет его, также масло подается под поршень 17. После открытия пускового клапана 20 избыточное давление масла в полости 18 исчезнет (станет равным скважинному давлению), и поршень 13 под действием гидростатических сил начнет движение вверх, открывая при этом окна 12. Чем больше будут открываться окна 12, тем большая сила будет толкать поршень 13 вверх. Эта сила на порядок превышает первоначальное усилие, так как оно создается давлением жидкости на всей площади поршня (при закрытых окнах это усилие создавалось на площади плунжера и разности площадей юбок дифференциального поршня). Движение поршня 13 вверх прекратится, когда он упрется в верхнее дно камеры 7. Жидкость из скважины под гидростатическим давлением устремится через окна в камеру, разгоняясь при этом. Когда столб жидкости, летящий в камере, ударит по поршню зачистки 9 и остановится вместе с ним, то кинетическая энергия столба летящей жидкости перейдет в энергию давления, которое ударной волной пройдет по стенкам камеры и по жидкости в обратном направлении, излучая сейсмические волны в скважинное пространство. Колебания стенок камеры постепенно успокоятся, и давление в камере сравняется со скважинным давлением. В это время поршень 17 с жестко закрепленным к нему на штоке 16 поршнем зачистки 9 будет двигаться вверх, вытесняя принятую в камеру жидкость в скважину через окна 12. Когда поршень зачистки 9 в верхней точке своего движения упрется в поршень 12, давление в напорных трубопроводах 23, 28 и 32 станет максимальным, и насос будет работать через предохранительный клапан 27. При этом после получения за установленный промежуток времени сигнала максимального давления от датчика давления 33 блок аппаратуры 35 даст команду на перевод распределителя 26 в положение возврата. При этом давление от насоса 24 будет направлено по трубопроводу 30 в пусковую камеру 18 и в полость над поршнем 17 привода поршня зачистки 9. Дифференциальный поршень 13 вместе с поршнем зачистки 9 начнет движение вниз до упора в бурт 15 на гильзе камеры и перекроет выхлопные окна 12, а поршень зачистки 9 будет двигаться до своего крайнего нижнего положения. После остановки поршня зачистки 9 давление в системе начнет повышаться, и после получения за установленный промежуток времени сигнала максимального давления от датчика давления 33 блок аппаратуры 35 даст команду на перевод распределителя 26 в среднее положение. При этом нагрузка на забойный двигатель 2 резко снизится, и давление на устье упадет, что четко можно отметить и уменьшить производительность насосных агрегатов или остановить их. Источник готов к следующему пуску, для производства которого необходимо только начать подавать с номинальным расходом рабочую жидкость в колонну труб 3.