ШЛАНГОКАБЕЛЬ НУЛЕВОЙ ПЛАВУЧЕСТИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
UMBILICAL WITH ZERO BUOYANCY FOR HORIZONTAL WELL SURVEYING AND METHOD OF ITS USAGE

Изобретение относится к области нефтепромысловой геофизики и может быть использовано при проведении геофизических исследований нефтяных и газовых скважин.
Основным сопротивлением при движении шлангокабеля по горизонтальному участку скважины является сила трения, возникающая в местах контакта шлангокабеля со стенками скважины. Величина этой силы пропорциональна разности веса участка шлангокабеля и архимедовой силы, его выталкивающей.
Известен шлангокабель для непрерывного спуска и подъема долота при бурении скважин с каналами для подачи промывочного раствора и электроэнергии к забою скважины, составленный из пучка металлических трубок, симметрично расположенных по сечению и электрически изолированных [патент СССР на изобретение №286881 / Шлангокабель для непрерывного спуска и подъема долота при бурении скважин / Гоглов, А.Г. №646569/22-13; Заявл. 09.12.1959; Опубл. 19.11.1970].
Наиболее близким к данному изобретению является шлангокабель для сбора и подъема нефтепродуктов из подводного месторождения содержащий каналы для передачи нефтепродуктов и электроэнергии, расположенные внутри секций, которые частично заполнены пеной низкой плотности таким образом, что каждый канал внутри своей секции окружен пеной [патент США на изобретение №4332509 / Riser pipe system for collecting and raising petroleum produced from an underwater deposit / Remi Reynard. Christian Atbe. Jean-Paul Aubert №158261; Заявл. 10.06.1980; Опубл. 01.06.1982].
Особенностью такого устройства шлангокабеля является обладание существенным образом отрицательной или положительной нулевой плавучестью.
Недостатком такого шлангокабеля является высокое сопротивление его продвижению в горизонтальной части скважины со стороны стенок последней из-за недостаточно точного соответствия нулевой плавучести.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением является повышение эффективности работы и срока службы шлангокабеля, предназначенного для исследования условно горизонтальной части нефтяных и газовых скважин.
Техническим результатом применения предлагаемого изобретения является уменьшение сил сопротивления продвижению шлангокабеля в условно горизонтальной части скважины, возникающих в местах контакта шлангокабеля со стенками скважины, а также понижение износа шлангокабеля и увеличение длины его продвижения.
Осуществляется это решение за счет значительного уменьшения силы трения ввиду придания участку шлангокабеля, состоящего из токоведущих жил, изоляции, одного или более слоев брони и оболочки из полимерного материала и находящегося в условно горизонтальной части скважины, существенным образом точной нулевой плавучести из-за расположенного в нем канала или каналов, содержащих рабочее тело низкой плотности (твердое тело, жидкость, газ или их комбинация). Причем плотность рабочего тела и площадь канала или каналов его содержащих должны быть подобраны тщательным образом, исходя из плотности жидкости, окружающей шлангокабель и параметров функциональных элементов шлангокабеля.
Примем в дальнейшем, что участок шлангокабеля, такая его часть, имеющая по существу точную нулевую плавучесть и находящаяся в условно горизонтальной части скважины.
Рассмотрим силу трения, действующую на участок шлангокабеля, находящийся в условно горизонтальной части скважины:
TP
APX
F=k·(P-F),
где
TP
F - сила трения, возникающая между стенкой участка шлангокабеля и стенкой скважины, H;
k -  коэффициент трения;
P - вес участка шлангокабеля, H;
APX
F - архимедова сила, действующая на участок шлангокабеля, H.
Если рассматриваемый участок шлангокабеля обладает существенным образом нулевой плавучестью, значит
APX
APX
P-F≈0 или P≈F.
Так как
APX
Ж
ШК
F=ρ·g·V,
ШК
ШК
P=ρ·g·V, следовательно
Ж
ШК
ШК
ШК
Ж
ШК
ШК
ШК
ρ·g·V≈ρ·g·V или ρ·V≈ ρ·V,
где
Ж
3
ρ - плотность жидкости, окружающей шлангокабель, кг/м;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
ШК
3
V - объем участка шлангокабеля, м;
ШК
3
ρ - средняя плотность участка шлангокабеля, кг/м.
Участок шлангокабеля является совокупностью канала или каналов, содержащих рабочее тело низкой плотности, а также электропроводов, изоляции и оболочки из полимерного материала, которые различны по объему и плотности, поэтому:
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>Ш</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>Ш</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>Р</mi><mi>Т</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>Р</mi><mi>Т</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>V</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>Ш</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>Ш</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>V</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>Ш</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Подставляем полученные выражения в предыдущее соотношение:
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>Ш</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>≈</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>Ш</mi><mi>К</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Сократив длину участка шлангокабеля и раскрыв скобки получим:
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>≈</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>≈</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
Площадь сечения канала или каналов, занимаемых рабочим телом низкой плотности, а также соотношение параметров прочих функциональных элементов рассматриваемого сечения участка шлангокабеля можно определить по следующей формуле:
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
,
где
PT
3
V - объем, занимаемый рабочим телом в участке шлангокабеля, м;
РТ
3
ρ - плотность рабочего тела, кг/м;
i
3
V - объем, занимаемый i-м функциональным элементом шлангокабеля, м;
i
3
ρ - плотность i-го функционального элемента шлангокабеля, кг/м.
ШК
3
l - длина участка шлангокабеля, м;
PT
2
S - площадь сечения канала или каналов, занимаемых рабочим телом низкой плотности, м;
i
2
S - площадь сечения шлангокабеля, занимаемого i-м функциональным элементом, м;
i=1…n - условный номер функционального элемента.
Рабочее тело с плотностью ниже, чем плотность жидкости, окружающей шлангокабель (твердое тело, жидкость, газ или их комбинация).
Жидкость, окружающая шлангокабель - среда, в которой находится шлангокабель (нефтепродукты, буровая жидкость и т.п.).
Функциональный элемент составляющая часть щлангокабеля, необходимая для изоляции, придания прочности, передачи различных сред (оболочка, изоляция, электропровод).
Элементы сечения функциональные элементы шлангокабеля, попавшие в рассматриваемое сечение участка шлангокабеля.
Вариант исполнения шлангокабеля, обладающего существенным образом точной нулевой плавучестью и имеющий один канал, представлен на фиг.1.
Вариант исполнения шлангокабеля, обладающего существенным образом точной нулевой плавучестью и имеющий два канала, представлен на фиг.2.
Шлангокабель состоит из оболочки 1, в которой находятся изоляции 2, покрывающие токоведущие жилы 3 и канал с рабочим телом 4. Шлангокабель погружен в среду 5, наполняющую исследуемую скважину.
Предлагаемое устройство позволяет производить работы по исследованию горизонтальных скважин с малыми затратами энергии, необходимой для проталкивания шлангокабеля в скважине, на большую протяженность с низкими показателями износа исполнительных устройств.
Известны различные способы и устройства доставки геофизических приборов в горизонтальный участок ствола скважины и проведения геофизических исследований: исследования в процессе бурения приборами, установленными на буровом инструменте; доставка геофизических приборов на забой скважины потоком промывочной жидкости; исследование непрерывной колонной гибких труб, внутри которой размещается кабель, соединяемый с прибором на конце колонны, такие трубы наматываются на специальный барабан большого диаметра; система спуска геофизических приборов на бурильных трубах, при этом передача информации производится через геофизический кабель, пропущенный за колонной бурильных труб, а в нижней части через специальный переводник внутри бурильных труб. Эта система разработана французским институтом нефти и широко используется под различными промышленными названиями большинством фирм. В России эту систему использует АО НПФ "Геофизика" под названием "Горизонталь 1; 2; 3; 4; 5".
"Горизонталь 2". В скважину на бурильных трубах со встроенным кабелем электробура спускают геофизический прибор, установленный неподвижно в защищенном горизонтальном контейнере, при этом прибор с помощью электрического разъема присоединен к встроенному электрическому силовому кабелю электробура. Регистрацию производят при подъеме.
"Горизонталь 3". На бурильных трубах спускают в горизонтальный ствол набор "прозрачных" пластиковых труб, через колонну бурильных труб, в скважину до искривленной части ствола спускают на геофизическом кабеле геофизический прибор. На устье закрепляют лубрикатор 1 и путем циркуляции промывочной жидкости продавливают геофизический прибор в интервал исследований.
"Горизонталь 5". В обсадную колонну или НКТ с устья скважины последовательно опускают геофизический прибор, закрепленный с помощью стыковочного узла на нижнем конце набора стальных герметичных тонкостенных труб, затем присоединяют набор толстостенных утяжеленных труб и производят дальнейший спуск труб в скважину, после чего внутрь наборов труб и сбрасывают токопровод с контактной муфтой. Затем к верхнему концу утяжеленных труб с помощью верхнего стыковочного узла механически и электрически присоединяют геофизический кабель и продолжают дальнейший спуск прибора и наборов труб непосредственно на геофизическом кабеле. По горизонтальному участку прибор движется под действием силы тяжести утяжеленных труб. Общая длина набора труб 500 м.
Наиболее близким к предлагаемому является способ исследований скважин с большим углом наклона и горизонтальных [патент RU 2087929 / Геофизический кабель для исследования наклонных и горизонтальных скважин и способ его использования / Корженевский A.Г., Корженевский А.А., Алейников В.Н.; Заявл. 12.03.1996; Опубл. 20.08.1997], в котором используется серийный кабель, намотанный на геофизическом подъемнике, к которому подсоединяется кабель предложенной конструкции. Кабель выполняет роль информационного канала связи, грузонесущую и проталкивающую роль.
Недостатком такого способа является высокое сопротивление продвижению кабеля в наклонной и горизонтальной части скважины со стороны стенок последней.
Технической задачей, решаемой предлагаемым способом является снижение энергопотребления при проведении работ по исследованию наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин.
Техническим результатом применения предлагаемого изобретения является уменьшение сил сопротивления продвижению шлангокабеля в наклонной и горизонтальной части скважины, возникающих в местах контакта шлангокабеля со стенками скважины.
Осуществляется это решение за счет применения вышеописанного шлангокабеля нулевой плавучести.
Реализация предлагаемого способа производится следующим образом.
Для исследования скважины используют комбинированный кабель, намотанный на геофизическом подъемнике, расположенном на наземном оборудовании. Верхняя часть этого кабеля состоит из геофизического кабеля, а нижняя - из шлангокабеля нулевой плавучести. Последний, в свою очередь соединен с глубинным прибором, который доставляется в интервал исследований проталкиванием. Шлангокабель нулевой плавучести, с закрепленным на одном его конце глубинным прибором, опускают в обсадную колонну или НKT с устья скважины. При этом шлангокабель нулевой плавучести выполняет роль информационного канала связи, грузонесущую и проталкивающую роль. А геофизический кабель, прикрепленный к другому концу шлангокабеля нулевой плавучести и образующий с ним комбинированный кабель, выполняет аналогичные роли.
Предлагаемый способ позволяет уменьшить затраты энергии, необходимые для проведения работ по исследованию наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин, необходимой для проталкивания шлангокабеля в скважине.