УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО КАРОТАЖА
DEVICE FOR HYDRODYNAMIC LOGGING

Заявленное изобретение относится к горному делу и предназначено для гидродинамических исследований необсаженных скважин приборами на каротажном кабеле.
Известно устройство для гидродинамических исследований (авт.св. СССР 600293, МПК Е21В 49/00), содержащее пробоприемник с разделительным поршнем, телескопическим поршнем, взаимодействующим с разделительным поршнем, торцевая площадь телескопического поршня меньше площади разделительного поршня. Недостатком является ограниченное число циклов исследования за один рейс прибора в скважину и необходимость обслуживания его для повторного спуска.
Известен малогабаритный прибор гидродинамического каротажа многократного действия Multiphase Flow Measurement (MFT) фирмы Weatherford (www: weatherford.com), выполненный в виде двух герметичных блоков, разделенных многорычажной прижимной системой пантографного типа, с блоком питания, приводом прижимной системы, телескопическим каналом, соединяющим отверстие в герметизирующем элементе с камерой поршневого цилиндра, соединенной каналом с двумя датчиками давления разного класса точности и уравнивающим клапаном, камерой.
После прижатия герметизирующего элемента к стенке скважины, создание депрессии и отбор флюида из пласта производится насосом, что усложняет процесс гидродинамического возмущения пласта, делает его зависимым от производительности насоса.
Наиболее близким по технической сущности с заявляемым является устройство для гидродинамического каротажа скважин (патент РФ 2675616, приоритет 20.12.2018, МПК E21B 49/08, выполненное в виде двух герметичных блоков, разделенных прижимной системой, выполненной в виде многозвенного рычажного механизма пантографного типа с герметизирующим элементом и каналом, при этом первый блок содержит блок питания, соединенный с приводом пробоприемника, с поршнем, размещенным в камере депрессии, которая соединена каналом с гидравлическим клапаном с цилиндром, внутри которого установлены поршни и разделительный поршень, предназначенный для изолирования полости цилиндра, пробоприемник, который соединен каналом с датчиком давления, блоком телеметрии и герметизирующим элементом. Другой блок содержит шток, связанный с поршнем, разделительный поршень, связанный каналом с поршнем, электромагнитный клапан, связанный каналами с поршнем, разделительным поршнем, а также связанный каналом с камерой сброса (балластной камерой), реле давления, связанное каналами с электромагнитным клапаном и встроенным реверсивным клапаном, предназначенным для удержания давления в системе привода многозвенного рычажного механизма пантографного типа прижимной системы при отборе флюидов.
Все устройства для гидродинамического каротажа объединяет последовательное выполнение следующих действий:
- тем или иным способом прижатие герметизирующего элемента к стенке скважины;
- снижение разными способами давления на стенке скважины и, как следствие, гидродинамическое возмущение пласта, и т.д.
Согласно описанию работы устройства прототипа одновременно с включением привода прижимной системы включается привод пробоприемника. Поршень первого блока, находящийся в камере депрессии, перемещаясь, создает разряжение в ней и в канале за гидравлическим клапаном, открывая его.
За открытием клапана последует поступление флюида из скважины, если его открытие не согласовано с работой прижимной системы.
Однако в описании прототипа не указано, какие элементы устройства, их связи согласовывают открытие клапана с работой прижимной системы, что является его существенным недостатком.
Далее, когда поршень первого блока, размещенный в камере депрессии, переместится в верхнее положение, давление в камере и в канале за гидравлическим клапаном выровняется, он должен закрыться (другого не указывается), а закрывшись, перекроет гидравлический канал и сделает невозможным возврат поршня в исходное положение и продолжение работы первого блока устройства.
Во втором блоке соединение штока с поршнем, и размещение в главном гидравлическом канале между поршнями привода электромагнитного клапана и последовательно с ним реверсивного клапана, делают небезопасной работу прижимной системы и блока в целом.
пл
скв
На практике отношение P/P может в большинстве случаев меняться от 0.4 до 0.8, в этой связи одного кольцевого дифференциального поршня в пробоприемнике первого блока недостаточно для надежного с “высокой точностью” определения проницаемости пластов.
Задачей заявляемого изобретения является создание малогабаритного устройства многократного действия для гидродинамического каротажа необсаженных скважин, обеспечивающего его высокую надежность, эффективность и технологичность при эксплуатации.
к
о
к
о
1
к
1
к
Согласно изобретению поставленная задача решается тем, что в устройстве для гидродинамического каротажа необсаженных скважин состоящем из двух блоков, прижимной системы, выполненной в виде многозвенного рычажного механизма с герметизирующим элементом и каналом, при этом первый блок содержит блок питания, соединенный с приводом пробоприемника, с поршнем, размещенным в камере депрессии, гидравлический клапан, пробоприемник с первым поршнем и кольцевым дифференциальным поршнем, приемная камера которого соединена каналами с датчиком давления и с отверстием стока герметизирующего элемента, а второй блок содержит механизм управления прижимной системой, содержащей шток, поршни, главный гидравлический канал с электромагнитным клапаном, соединенный другими каналами с балластной камерой и с реле давления, новым является то, что в первом блоке гидропривод пробоприемника выполнен в виде поршневого гидроцилиндра двустороннего действия с односторонним штоком, соединенным с силовым штоком электромеханического привода и поршнем с рабочими площадями S, S (S меньше S), при этом большая камера гидроцилиндра соединена основным гидравлическим каналом с клапаном двойного управления, выполненным, например, в виде подпружиненного поршня площадью S, за клапаном основной гидравлический канал соединен с буферным гидроцилиндром с поршнем. Малая камера гидроцилиндра двустороннего действия с рабочей площадью поршня S, частично заполненная гидравлической жидкостью, соединена каналом с малым гидравлическим цилиндром с поршнем площадью S меньшей, чем S, с обратной стороны поршень соединен с основным гидравлическим каналом и контактирует с толкателем упомянутого клапана. Поршень упомянутого буферного гидроцилиндра контактирует со штоком, связанным с датчиком линейных перемещений, и соединен с первым поршнем пробоприемника, малая камера которого содержит не менее двух дополнительных кольцевых дифференциальных поршней, не контактирующих между собой и с первым поршнем, и сообщена со скважиной, а приемная камера соединена со стыковочным узлом первого блока.
Во втором блоке верхняя часть штока-толкателя механизма управления прижимной системой соединена с подвижным блоком прижимной системы, а его нижняя часть размещена в гидравлически изолированной камере и контактирует с поршнем, который соединен главным гидравлическим каналом с другим поршнем гидравлического привода прижимной системы, а электромагнитный клапан установлен в канале, соединяющем главный гидравлический канал с балластной камерой, при этом максимальный ход силового штока электромеханического привода второго блока меньше такового у первого блока.
Соединение подвижного блока прижимной системы и верхней части штока-толкателя выполнено разъемным, например, резьбовым, а гидравлически изолированная камера, в которую входит нижняя часть штока-толкателя, снабжена съемным фланцем с входным отверстием для упомянутого штока.
Подвижный блок прижимной системы помимо максимального рабочего хода снабжен дополнительным свободным ходом.
Первый и второй блоки устройства выполнены в виде транспортировочных блоков со стыковочными узлами; стыковочный узел первого транспортировочного блока содержит электрический разъем и стыковочную гидравлическую трубку, связанную с приемной камерой пробоприемника; а второй транспортировочный блок включает в себя прижимную систему, механизм управления прижимной системой, стыковочный узел, совмещенный с неподвижным верхним блоком прижимной системы, снабжен электрическим разъемом и стыковочным каналом, в котором размещена упомянутая гидравлическая трубка.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами и нижеследующим описанием.
На фиг. 1 а изображен общий вид устройства для гидродинамического каротажа скважин с прижимным устройством в собранном виде, на фиг. 1 б прижимное устройство в раскрытом состоянии.
На фиг. 2 (а, б) изображены стыковочные узлы первого (фиг. 2 а) и второго (фиг. 2 б) блоков.
На фиг. 3 (а, б, в, г) - фрагменты общего вида, иллюстрирующие работу первого блока устройства для гидродинамического каротажа скважин.
На фиг. 4 изображены диаграммы показаний датчиков давления P (верхняя кривая) и линейных перемещений L (нижняя кривая) штока во времени t.
На фиг. 5 (а) изображен нижний неподвижный блок прижимной системы со съемным фланцем и штоком-толкателем в рабочем положении; на фиг. 5 (б) - шток-толкатель выведен из гидравлически изолированной камеры со съемным фланцем.
Заявляемое устройство для гидродинамического каротажа необсаженных скважин выполнено в виде двух функциональных и одновременно транспортировочных блоков (фиг. 1 а).
1
к
о
к
о
Первый блок 1 включает блок питания, электромеханический привод, силовой шток 2, имеющий ход L, конечные положения которого контролируются концевыми переключателями, соединенный со штоком 3 гидравлического цилиндра двустороннего действия, с поршнем 4 с рабочими площадями S и S (кольцевая площадь S меньше S).
1
Большая камера 5 рабочего контура гидроцилиндра соединена гидравлическим каналом с поршнем 10 и с клапаном 6 двойного управления, выполненным, например, в виде подпружиненного поршня площадью S.
о
1
к
С другой стороны клапан 6 гидравлическим каналом соединен с буферным гидроцилиндром 7 с поршнем 8, площадью S, малая камера 9 управляющего контура гидроцилиндра частично заполнена гидравлической жидкостью и соединена каналом с малым поршнем 10 площадью S меньшей S. Поршень 10 с другой стороны соединен с гидравлическим каналом и соприкасается с толкателем 11 клапана 6. Шток 12 пробоприемника контактирует с поршнем 8 буферного гидроцилиндра 7 и связан с датчиком линейных перемещений 13. Кольцевые дифференциальные поршни 14, 15 пробоприемника не контактируют между собой и с поршнем 16, камера 17 пробоприемника сообщена со скважиной, а камера 18 сообщена с датчиком давления 19 и стыковочным узлом первого блока со стыковочной гидравлической трубкой 20 (фиг. 2 а).
2
1
Второй блок 21 включает электромеханический привод, силовой шток 22, имеющий максимальный ход L = 0.9×L, исходное положение которого контролируется концевым переключателем, связан с поршнем 23, который соединен главным гидравлическим каналом 24 непосредственно с поршнем 25 одностороннего гидроцилиндра. Главный гидравлический канал 24 связан
с другими каналами, соединяющими его через электромагнитный клапан 29 с балластной камерой 30 и с гидравлическим реле 26, а также с переключателем, контролирующим усилие прижатия герметизирующего элемента к стенке скважины.
Камера 31 каналом соединена поршнем-компенсатором 32, который с другой стороны связан со скважиной.
Камера 33 гидравлически изолирована, в нее помещена нижняя часть штока-толкателя 34, а его верхняя часть соединена с подвижным блоком 35 крепления силовых рычагов прижимной системы. Нижний неподвижный блок прижимной системы 36 двумя тягами (не показаны) соединен с верхним стыковочным узлом 37, совмещенным с неподвижным блоком крепления силовых рычагов и рычаг-канала 38, соединяющего через платформу 39 отверстие стока герметизирующего элемента 40 с каналом 41 стыковочного узла 37 (фиг. 2б).
Соединение подвижного блока 35 прижимной системы и верхней части штока-толкателя 34 выполнено разъемным, например, резьбовым, а гидравлически изолированная камера 33, в которую входит нижняя часть штока-толкателя 34, снабжена съемным фланцем 42 (фиг. 5а) с входным отверстием для упомянутого штока.
Подвижный блок 35 прижимной системы помимо максимального рабочего хода снабжен дополнительным свободным ходом, позволяющим вывести нижний конец штока-толкателя 34 из гидравлически изолированной камеры 33 со съемным фланцем 42 (фиг. 5б).
Работа устройства осуществляется следующим образом.
2
1
Устройство в собранном виде спускают в скважину на каротажном кабеле, при этом телеметрия с датчиком давления запитываются от наземного регистрирующего комплекса, процесс спуска контролируется по росту давления. На заданной глубине с наземного блока питания подается напряжение на блок питания устройства, от которого питание одновременно подается на электромеханические приводы и электромагнитный клапан 29, который моментально перекрывает канал в балластную камеру 30, электромеханический привод нижнего блока перемещает силовой шток 22, имеющий максимальный ход L = 0.9×L , и поршень 23, создает в главном гидравлическом канале 24 давление, действующее на поршень 25, последний выдвигает шток-толкатель 34 подвижного блока 35 прижимной системы с герметизирующим элементом 40, который прижимаясь к стенке скважины, изолирует ее участок. Давление в канале 24, достигнув заданной величины, действуя на реле давления с переключателем, отключает только электромеханический привод второго блока, при этом электромагнитный клапан 29 остается включенным.
1
Электромеханический привод первого блока 1 силовым штоком 2 (фиг. 3 а), имеющим фиксированный ход L, связанным с ним штоком 3 продолжает перемещать поршень 4, освобождая камеру 5 гидравлического цилиндра двухстороннего действия.
1
к
Приближаясь к верхнему конечному положению, поршень 4 выдавливает гидравлическую жидкость из камеры 9 через канал в малый цилиндр с поршнем 10. При оптимальном для быстрого открытия клапана 6 соотношении рабочих площадей S/S=0.1÷0.12 перемещение поршня 4, после заполнения каналов, связывающих камеру 9 с поршнем 10, менее чем на 1 мм практически мгновенно открывает клапан 6 (фиг. 3 б). В следующий за этим момент шток 2, воздействуя на концевой переключатель, отключает электромеханический привод первого блока 1. При этом камера 5 пуста, клапан 6 открыт, камера 18 пробоприемника сообщена с изолированным участком стенки скважины, гидравлическая жидкость перетекает из буферного гидроцилиндра 7 через клапан 6 в камеру 5, давление на изолированном участке стенки скважины упадет, создавая гидродинамическое возмущение в пласте.
1
Под действием депрессии пластовый флюид поступает по каналам в камеру 18, давление в которой, достигнув порога страгивания Р (фиг. 4) поршня 16, будет его перемещать, при этом шток 12, контактирующий с поршнем 8, выдавливают гидравлическую жидкость из буферного гидроцилиндра 7 через открытый клапан 6 в подготовленную (пустую) камеру 5, при этом регистрируемое давление будет неизменным, но о продолжающемся притоке будут свидетельствовать показания датчика линейных перемещений 13, связанного со штоком 12.
2
пл
3
пл
Поршень 16, достигнув поршня 15 (фиг. 3 б), остановится, давление в камере 18 и на стенке скважины резко вырастет (фиг. 4) до давления P страгивания двух контактирующих поршней 16, 15, давление при их совместном движении будет оставаться неизменным. При этом, если пластовое давление P окажется ниже давления страгивания P (фиг. 4) всех трех поршней 16, 15, 14, процесс от активного притока перейдет к восстановлению P.
пл
3
пл
Если P окажется выше порога страгивания P (фиг. 4) трех поршней 16, 15, 14, процесс, описанный выше, продолжится (фиг. 3 в) и так же по завершению перейдет к восстановлению P.
Наличие датчика линейных перемещений позволяет на протяжении всего цикла контролировать положение штока 12, что свидетельствует о продолжающемся притоке из пласта или, при неизменных показаниях датчика 13, об отсутствии притока. На основании показаний датчиков давления и линейных перемещений оператором принимается решение о завершении исследования (фиг. 4).
скв
При отключении питания с наземного блока отключается электромагнитный клапан 29, который открывает канал в балластную камеру 30, давление в главном гидравлическом канале 24 падает, разбалансированный по действующим силам подвижный блок 35 и соединенный с ним шток-толкатель 34, действуя на поршень 25, выдавливает гидравлическую жидкость в балластную камеру 30, складывает прижимную систему, приводит ее в исходное положение, датчик давления регистрирует давление в скважине P.
Сразу после отключения питания с наземного блока оно подается вновь, но обратной полярности, при этом электромагнитный клапан остается отключенным, а блок питания устройства реверсирует напряжение, подаваемое на электромеханические приводы. Включившись, электромеханические приводы перемещают силовые штоки 22, 2 в исходное положение, во втором блоке 21 поршень 23 создает разряжение в канале 24, в результате чего гидравлическая жидкость из балластной камеры 30 возвращается в главный гидравлический канал 24.
Электромеханический привод первого блока 1 силовым штоком 2, перемещает шток 3 с поршнем 4 в исходное положение (вниз), давление в камере 9 и малом цилиндре с поршнем 10 падает, поршень 10 давлением в камере 5 и канале перемещается в исходное положение (фиг. 3 г), при этом клапан 6 под действием давления, нагнетаемого поршнем 4, возвращаемым в исходное положение, остается открытым, гидравлическая жидкость из камеры 5 через открытый клапан 6 выдавливается в камеру буферного гидроцилиндра 7. Поршень 8 перемещается в исходное положение, воздействуя на шток 12 и поршень 16, выдавливает принятый флюид из камеры 18 через каналы в скважину.
Дифференциальные поршни 14, 15 возвращаются в исходное положение. Силовые штоки 22, 2 достигнув исходного положения, отключают концевыми переключателями оба электромеханических привода. Устройство готово к следующему циклу исследований.
Наличие датчика линейных перемещений 13, связанного со штоком 12 пробоприемника, делает процесс исследования более информативным, облегчает оператору принятие решений в ходе исследований.
Двухконтурная система гидропривода пробоприемника позволила синхронизировать срабатывание (открытие) клапана двойного управления с конечным положением поршня 4 гидропривода, когда подготовлен объем для приема гидравлической жидкости из буферного гидроцилиндра, что исключает влияние привода на процесс притока флюида из пласта, делая его более простым, классическим.
Наличие буферного гидроцилиндра 7 с поршнем 8, с одной стороны, перед открытием клапана 6 снижает давление, действующее на него, повышает его живучесть, с другой, при выдавливании флюида из пробоприемника, оптимизирует нагрузку на электромеханический привод и минимизирует длинновые размеры пробоприемника.
1
к
Многократное соотношение S/S рабочих площадей поршней управляющего контура гидропривода делает открытие клапана практически мгновенным, повышает его живучесть.
скв
При подготовке гидродинамического каротажа в неглубоких скважинах с низкими давлениями поршень-компенсатор 32 извлекается, на его место устанавливается пробка-заглушка (не показана), изолирующая камеру 31 от скважинного давления P, что увеличивает и делает достаточной разбалансировку подвижного блока 35 для возврата прижимной системы в исходное положение.
При подготовке гидродинамического каротажа в глубоких скважинах, применительно к конкретным условиям производится подбор и установка сопрягаемых штока-толкателя 34 и съемного фланца 32 гидравлически изолированной камеры 33. Предусмотрены сменные комплекты, упомянутой пары 34, 42 и пробка-заглушка.
Разъемное соединение подвижного блока 35 прижимной системы и штока-толкателя 34, наличие съемного фланца 42 камеры 33 и пробки-заглушки, устанавливаемой вместо поршня–компенсатора 32, позволяет с одной стороны подбором пары шток 34, фланец 42 и их сочетанием с установкой поршня 32 или пробки–заглушки подобрать оптимальное усилие, складывающее прижимную систему, с другой - оптимизировать нагрузку на электромеханический привод второго блока 21.
Соединение штока–толкателя 34 с подвижным блоком прижимной системы 35, непосредственное соединение поршней 23, 25 привода прижимной системы главным гидравлическим каналом 24 и размещение электромагнитного клапана 29 в другом канале, связывающим главный гидравлический канал с балластной камерой 30, обеспечивает надежность и эффективность работы второго блока 21 устройства.
Снабжение подвижного блока 35 дополнительным свободным ходом, обеспечивающим вывод нижнего конца штока–толкателя 34 из камеры 33 с фланцем 42, позволяет произвести смену пары: шток 34, фланец 42 без разборки второго блока 21 устройства.
При унифицированных характеристиках электромеханических приводов меньшая величина максимального хода силового штока 22 второго блока 21, чем у штока 2 первого блока 1 гарантировано обеспечивает последовательный алгоритм срабатывания второго и первого блоков устройства и при максимальном раскрытии прижимной системы.
В начальный период электромеханический привод первого блока 1 испытывает минимальные нагрузки, при этом более нагружен электромеханический привод второго блока 21; при возврате устройства в исходное положение, наоборот, наиболее нагружен электромеханический привод первого блока. Примененная в заявленном изобретении схема работы гидро и электромеханических приводов оптимизирует энергетическую нагрузку внутреннего блока питания устройства, минимизирует его.
Наличие в пробоприемнике не менее двух кольцевых дифференциальных поршней позволяет оценить соответствие притока закону Дарси и, в случае отклонения от него, внести поправки, что повышает точность определения проницаемостей.
Исполнение устройства в виде двух функциональных и одновременно транспортировочных блоков длиной менее 2,5 м упрощает их доставку к месту работ и раздельное их обслуживание.
Заявляемое изобретение изготовлено, прошло стендовые и производственные испытания, принято к использованию АНК «Башнефть».