УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДОСТАВКИ ПРИБОРОВ И ОБОРУДОВАНИЯ В ОБСАЖЕННЫЕ СКВАЖИНЫ
DEVICE FOR DELIVERING INSTRUMENTS AND EQUIPMENT TO CASED WELLS

Область техники
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть применено для доставки геофизических приборов и оборудования в горизонтальные участки обсаженных скважин в условиях наличия в них значительных локальных сужений внутреннего сечения ствола и необходимости работы через лубрикатор.
Уровень техники
Аналогом заявленного устройства является устройство для доставки приборов в горизонтальную скважину (патент РФ №2487230, МПК Е21В 23/14, публ. 03.05.2011), содержащее цилиндрический корпус с установленным в нем электродвигателем, шарнирно установленными расклинивающими опорами, и по крайней мере одну секцию с движителем, выполненным в виде установленных в корпусе колес с радиусом закругления, равным радиусу исследуемой скважины, согласно изобретению снабжен насосом с приводом от электромотора и гидромотором с цепным приводом на колесах, а также активатором расклинивающих опор. Кроме того, в корпусе скважинного трактора может быть установлен дополнительный электродвигатель для активатора расклинивающих опор.
Недостаток устройства заключается в отсутствии контроля за усилием прижатия и диаметром раскрытия расклинивающих опор, отсутствие быстрой телеметрической системы, обеспечивающей управление в реальном времени рабочими параметрами устройства, что делает проблематичным передвижение устройства в усложненных условиях с наличием сильных локальных сужений. Кроме того, нет смещений осей колес по оси устройства, что затрудняет передвижение на стыках обсадной колонны, колеса будут проваливаться в стыки, достигающие ширины до 25 мм.
Ближайшим аналогом заявленного устройства является скважинный трактор для проведения работ в обсаженных скважинах (патент РФ №2707610, МПК Е21В 23/14, публ. 26.12.2018), содержащее две колесные движительные секции, прижимаемые к стенке обсадной скважины движителями-активаторами, имеющие нижний и верхний центраторы, обеспечивающие устойчивое положение, электронный блок, выполненный в модульной конструкции, подключаемый через геофизический кабель к наземной ЭВМ каротажной системы, снабженный программой управления движением и регистрацией параметров от блока датчиков, размещенных в блоке электроники, а именно, акселерометров, датчика натяжения кабеля и температурного датчика, реализована возможность подключения каротажных приборов и для поджима колес к обсадной колонне и приведения трактора в движение используется бесколлекторные двигатели постоянного тока.
Недостатками устройства является отсутствие датчиков усилия прижатия колес и диаметра раскрытия колесных пар прижимного механизма. Передвижение такого устройства в осложненных условиях с наличием больших сужений ствола вызванных особенностями конструкции обсадных скважин или наличием внутри насыпей пропанта либо песка, а также наростами отложений гидратов, солей, цемента и прочего будет проблематично, а зачастую и невозможно, что часто отмечают профессионалы, работающие с подобными устройствами. Поэтому для проведения работ скважинными тракторами необходимо предварительно произвести дорогостоящую операцию по очистке ствола скважины, причем наличие в ней конструктивных сужений часто делает невозможным проведение работ и приводит к аварийным ситуациям. Кроме того, недостатком устройства является его большая длина, вызванная применением центрирующих устройств, каждое из которых длиной до 1 метра, что ограничивает применение устройства, которое в комплексе с «пассажирскими» геофизическими приборами не должно превышать длину камеры распространенных лубрикаторных устройств, служащих для герметизации устья скважины при проведении работ под давлением. Работы потребуют применения дорогостоящих специализированных лубрикаторов.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении надежности, долговечности и эксплуатационной безопасности устройства.
Технический результат заключается в обеспечении безаварийного прохождения устройства в обсаженной скважине, в том числе в осложненных условиях - при наличии значительных сужений в горизонтальных стволах скважин, с обеспечением возможности прогнозирования предстоящих осложнений движения и возможности автоматизации процесса управления. Кроме того, использование предлагаемого изобретения позволит сделать устройство компактным, обеспечивая тем самым его применение при работах через распространенные лубрикаторы.
Достигается технический результат тем, что в отличие от известных устройств доставки в предлагаемом колесном устройстве для доставки приборов и оборудования в осложненные участки горизонтальных скважин используются специальные датчики измерения диаметра раскрытия рычагов с колесами и усилия прижатия колес к стенке колонны, что позволяет эффективно управлять процессом передвижения и прогнозированием появления осложнений. Модульная конструкция двигательных секций позволяющая расположить колеса равномерно по периметру поперечного сечения скважины и тем самым обойтись без применения специальных центраторов, делает устройство компактным для применения при работе через лубрикатор, кроме того, разнесение соседних колес не менее чем на 25 мм по оси скважины, в известных устройствах, они находятся в одной точке по оси устройств, позволит свободнее, без рывков проходить стыки колонн торцы которых на муфтовых соединениях расходятся до 25 мм. При необходимости устройство оснащается минимальным числом применяемых секций, даже одной, в этом случае оно обеспечивается двумя управляемыми центраторами, содержащими приводные двигатели и датчики диаметра раскрытия, для управления их раскрытием и прогнозирования осложнений движению.
Для достижения поставленной цели, устройство доставки состоящее из нескольких колесных секций, оснащенных приводами, обеспечивающими прижатие и вращение колес, блока электроники, обеспечивающего управление приводами, включающего контроллер с телеметрической системой с модемом, обеспечивающим связь с наземной каротажной системой, снабженной программой управления движением устройства доставки и регистрацией параметров датчиков ускорения, движения (акселерометров), натяжения на кабельной головке и температуры. Колесные секции устройства располагаются таким образом, чтобы колеса поджимались к стенке обсадной колонны равномерно по периметру поперечного сечения для реализации центровки без специальных центрирующих устройств. Для регистрации контролируемого перемещения, расклинивающие опоры, на которых установлены ведущие колеса, оснащаются датчиками диаметра раскрытия ведущих колес, прижимные устройства, обеспечивающие прижатие ведущих колес оснащаются датчиками усилия прижатия, каждые соседние колеса в колесной секции смещаются по оси скважины не менее чем на 25 мм для лучшего прохождения стыков колонны. Компактность устройства, необходимая для работы через лубрикатор обеспечивается применением секционной конструкции, где в каждой из применяемых секций находится по крайней мере одно колесо, электронная схема, включающая контроллер для управления двигателями и работы с датчиками диаметра и усилия прижатия, а также быстрой телеметрической системой для обеспечения связи в реальном времени между блоком электроники и другими модулями, кроме этого приводы прижатия и вращения ведущих колес размещены соосно, причем по крайней мере один из них выполнен со сквозным отверстием.
Возможно использование для проведения работ минимального числа секций, а именно одной колесной секции, фиг.2, тогда устройство оснащается двумя управляемыми центраторами с приводами и датчиками измерения диаметра раскрытия, а также электронной схемой с телеметрией для управления раскрытием и закрытием рычагов центратора и прогнозированием осложнения движения. Устройство управляется при помощи программно управляемой каротажной системы, включающей в себя, лебедку с каротажным кабелем, блок управления с бортовым компьютером и блоком питания. Бортовой компьютер каротажной системы снабжен специальными программами управления движением устройства доставки и регистрации значений параметров, используемых в устройстве датчиков и каротажных данных из «пассажирских» доставляемых в скважину геофизических приборов. Таким образом реализуется безаварийное прохождение устройства в горизонтальной скважине, в том числе при наличии значительных сужений в горизонтальных стволах скважин, с обеспечением возможности прогнозирования предстоящих осложнений движения и возможности автоматизации процесса управления.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется описанием конкретного примера выполнения и прилагаемыми графическими материалами, где на:
фиг. 1 схематично представлено колесное устройство для доставки приборов и оборудования, состоящего из несколько колесных секций;
фиг. 2 - вариант устройства, оснащенного управляемым центраторами;
фиг. 3 - расположение колес устройства по сечению скважины;
фиг. 4 - схема колесной секции.
На представленных изображениях позициями отмечены следующие элементы устройства: 1 - кабельная головка; 2 - блок электроники; 3 - колесные секции; 4 - ведущие колеса; 5 - корпус колесной секции; 6 - привод ведущих колес; 7 - вал; 8 - привод прижима ведущих колес; 9 - шток привода прижима; 10 - датчики силы; 11 - амортизаторы пружинные; 12 - рейка; 13 - расклинивающая опора; 14,15 - малая и большая шестерни конической передачи; 17,18,19 - зубчатые колеса; 20,21 - валики зубчатых колес; 22 - ось; 23 - зубчатый сектор; 24 - датчик диаметра раскрытия ведущих колес; 25 - электроника колесной секции; 30 - управляемые центраторы; 31 - электронные узлы блока электроники; 32 - контроллер управления и быстрая телеметрия; 33 - телеметрия для связи с наземной ЭВМ.
Осуществление изобретения
Конструкция устройства включает блок электроники 2 (фиг. 1, 2), который содержит кабельную головку 1 с датчиком натяжения кабеля, системный блок питания 31, контроллер управления с двумя телеметрическими модемами связи 33 и 32: медленной, для работы через длинный геофизический кабель и быстрый, более 1 мбод, для управления в реальном времени приводами колесных секций и снятия показаний датчиков (датчики температуры, акселерометры, датчик локатора муфтовых соединений). Колесные секции 3 (фиг. 4), каждая из которых содержит два ведущих колеса - 4; корпус - 5, фиг.4; привод ведущих колес - 6; 7 - вал; 8 - полый привод прижима ведущих колес; 9 - шток привода прижима; 10 - датчик силы в основании штока привода прижима; 11 - амортизатор пружинный; 12 - рейку; 13 - расклинивающую опору; 14,15 - малую и большую шестерни конической передачи; 17,18,19 - зубчатые колеса; 20, 21 - валики зубчатых колес; 22 - ось; 23 - зубчатый сектор; 24 - датчик диаметра раскрытия ведущих колес в виде поворотного датчика Холла; 25 - электронику колесной секции. Колеса 15 и 17, а также 19 и 4 попарно связаны между собой жесткой связью. Привод прижима ведущих колес 8 имеет возможность полностью выбирать упругий ход амортизатора 11 и создавать максимальную прижимную силу, обеспечивая сцепление ведущих колес 4 с обсадной трубой.
Включается привод прижима 9 и перемещает по оси устройства шток 9, амортизаторы 11 и рейки 12, которые заставляют вращаться зубчатые сектора 23 вместе с расклинивающимися опорами 13 вокруг валов 20, которые одновременно выполняют функцию осей опор 13 и валов больших конических шестерен 15. Вращение опор 13 происходит вместе с установленными в опорах 13 шестернями 17, 18, 19, и ведущими колесами 4 до обеспечения заданного усилия прижатия, отслеживаемого датчиком силы 10. Привод 9 выключается.
Движение устройства начинается с включения привода ведущих колес 6, который активирует вращение валов 7, затем конические шестерни 14,15 валы 20, связанные с ними шестерни 17,18, 19 и наконец ведущие колеса 4. Устройство приведено в движение.
В ходе движения отслеживаются показания датчиков силы 10 и показания датчиков диаметров 24 (в виде поворотного датчика Холла) на основании которых автоматически или по указанию оператора регулируется оптимальное движение устройства.
Управляемый центратор 3 содержит: двигатель для управления диаметром раскрытия, датчик измерения диаметра раскрытия, подпружиненную рычажную систему, электронная схема с контроллером управления и модемом быстрой телеметрии.
Перед началом проведения работ, на устье скважины осуществляется сборка устройства доставки, соединение его с каротажным кабелем и «пассажирским» геофизическим прибором для проведения каротажа. Затем с помощью наземной каротажной системы осуществляется проверка и тестирование подключенной аппаратуры, в случае положительного результата, с помощью лебедки осуществляется спуск сборки в скважину к интервалу исследования. В случае работы через лубрикатор, выбирается компоновка с размерами сборки по длине, помещающейся в лубрикатор, это устройство для передвижения длиной не более 4,5 м с тремя колесными секциями, что достаточно для хорошей его центровки и каротажным прибором до трех метров длины. Все это после тестирования помещается в герметичную камеру лубрикатора, герметезируется, после чего заслонка камеры лубрикатора открывается, давление в камере выравнивается, устройство доставки включается, колеса поджимаются к стенке колонны и на малой скорости устройство с прибором передвигают вниз, преодолевая сопротивление трения кабеля в герметичном уплотнении лубрикатора, движение осуществляется до тех пор, пока тяжесть приборов с кабелем не станет больше сопротивления трения, далее колеса устройства складывают в транспортировочное положение и движение продолжается под собственным весом связки до конструкционных осложнений движения, как правило, это до входа в горизонтальный участок, который начинается с переходом на колонну с меньшим диаметром. Контроль движения осуществляется с помощью датчиков акселерометров, локатора муфт, блока электронного и глубиномеров на каротажной системе и лебедке.
При движении в сильно наклонной или горизонтальной части колонны в условиях наличия в ней значительных технологических и иных сужений по внутреннему поперечному сечению колеса прижимают к стенке обсадной колонны, приводят в движение соответствующими командами, при этом регистрируют показания всех имеющихся в наличии контрольных датчиков. Поскольку колесные секции устройства расположены равномерно по периметру поперечного сечения скважины, оно надежно зацентрировано (фиг. 3). Расклинивающие опоры 13 (фиг. 4), на которых установлены ведущие колеса 4, и прижимные устройства оснащены соответственно датчиками измерения диаметра и усилия прижатия и, таким образом, в процессе движения устройства осуществляют контроль и управление диаметром раскрытия и усилием прижатия каждого колеса, а для перемещения устройства в усложненных условиях, колеса поджимаются к внутренней стенке колонны с максимальным усилием, необходимым для обеспечения движения, при этом, усилия и диаметр раскрытия на переднем по движению колесе оперативно делают минимально необходимым для обеспечения центрации устройства и прохождению первого колеса через сужение. При необходимости, когда передние колеса тормозят движение, их складывают полностью. По мере продвижения через сужение, передние колеса опять максимально под контролем поджимают к стенке обсадной колонны, выбирая полностью упругий ход амортизаторов, помогая прохождению сужения, а следующие по порядку колеса последовательно прискладываются на основании показаний датчиков усилий и диаметра и, таким образом, осуществляют прохождение сужения колонны. Усилие прижатия ведущих колес можно увеличить до максимального, если выбрать упругий ход амортизатора, при этом усилие контролируется автоматикой и оператором. Для реверса движения все перечисленные операции осуществляют в обратном порядке. Использование в устройстве одной колесной секций, возможно при помощи управляемых центраторов, которые оснащены электроприводами для управляемого складывания, с датчиками диметра раскрытия. В процессе прохождения сужения центраторы последовательно складывают и затем раскрывают, используя показания датчиков. Подъем устройства с прибором осуществляют с помощью каротажной лебедки, при необходимости помощь передвижению обеспечивается реверсивным движением устройства.
В настоящее время завершена разработка рабочих чертежей устройства диаметром 54 мм, радиус раскрытия рычагов до 220 мм, длина одной колесной секции 1, 2 метра.
Таким образом, по сравнению с известными аналогами, конструкция устройства обладает возможностью передвижения в осложненных участках обсаженных скважинах. Снижаются динамические нагрузки на элементы устройства, уменьшается аварийность, увеличивается скорость, а возможность равномерного, без рывков движения обеспечивает качественный каротаж.