Способ отбора глубинных проб с регистрацией температуры, давления и глубины по стволу скважины и в момент заполнения пробоприемной камеры скважинным флюидом или газом и устройство по его осуществлению
Изобретение относится к горному делу, конкретно к производству работ по испытанию и опробованию нефтяных и газовых скважин. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности взятия в скважине одновременно на одной и той же точке или на разных глубинах двух и более герметичных проб, а также производства на точке отбора пробы и по стволу скважины непрерывных измерений глубины, температуры и давления. Для этого спускают в скважину на проволоке или геофизическом кабеле пробозаборное устройство (ПЗУ) для забора одновременно двух и более глубинных герметичных проб флюида, газа или их смесей, содержащего две и более пробоприемные камеры (ППК). Соединяют скважинное пространство с внутренней полостью ППК путем ее закрытия или открытия с помощью гидропривода (ГП), который включают в работу с момента помещения ПЗУ в скважинную среду. При этом в процессе спуска, подъема и нахождения ПЗУ на точке отбора пробы измеряют температуру, давление и глубину местоположения ПЗУ в стволе скважины. Открытие или закрытие ППК осуществляют синхронно или разновременно. Управление ГП осуществляют электромагнитным клапаном (ЭМК), управление закрытием или открытием которого осуществляют электронным программируемым контролером по заранее установленному до спуска ПЗУ в скважину периоду времени или величине скважинного давления, а при наличии кабельной линии связи путем подачи управляющего сигнала с наземного блока. Глубинный пробоотборник для реализации способа состоит из электронного модуля, модуля ГП, одной или нескольких ППК, физических датчиков температуры и давления, программируемого контролера, управляющего работой ЭМК модуля ГП, магнитного локатора муфт, детектора регистрации естественной радиоактивности. Вся информация, поступающая от датчиков, преобразуется в цифровую и регистрируется в энергонезависимой памяти. Кроме того, пробоотборник имеет систему датчиков, контролирующих факт открытия и закрытия клапанного узла ППК камер, каждой в отдельности. Модульный принцип построения позволяет монтировать пробоотборник, содержащий несколько ППК камер с автономной или дистанционной системой управления процессом открытия каждой из них. Вся информация об измеренных параметрах преобразуется в цифровую форму и хранится в памяти электронного модуля или передается на поверхность при наличии кабельной линии связи. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к геолого-разведочной, нефтегазовой, гидрогеологической отраслям народного хозяйства, гидрографическим, океанографическим исследованиям, гражданской обороне (МЧС).
В настоящее время в практике промысловых работ при испытании и опробовании поисковых и разведочных нефтяных, газовых и водяных скважин используется способ отбора глубинных герметичных проб нефти, воды, газа или их смесей с применением автономных устройств - глубинных пробоотборников, разработанный в СССР и за рубежом в начале 60-х годов.
Известный способ отбора глубинных проб осуществляется путем спуска в скважину на проволоке или тросе автономного цилиндрического устройства - глубинного пробоотборника, реализующего возможность на определенной, условно наперед заданной, глубине в пределах от 10 м до 8000 м, в диапазоне температур от 10°С до 170°С и давлении от 0,1 до 120 МПа осуществить заполнение одной пробоприемной камеры объемом 100-800 мл флюидом, газом или их смесью, именно теми компонентами скважинной среды, которые на данный момент времени находятся в стволе скважины на этой глубине, загерметизировать пробу в пробоприемной камере и доставить ее на устье скважины [1, 2].
В известном способе определение фактической глубины, на которой происходит заполнение пробоприемной камеры всасывающего или проточного типа, реализуется косвенным способом, а именно путем временного программирования системы управления клапанным механизмом, который и осуществляет открытие(закрытие) отверстия в корпусе устройства, соединяющего скважинное пространство с внутренней полостью пробоприемной камеры. При реализации известного способа отсутствуют какие-либо технические средства, осуществляющие регистрацию температуры и давления в точке отбора пробы. Временное программирование системы управления работой клапанного механизма реализуется на базе трех принципов.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ отбора глубинных проб, включающий в себя спуск в скважину на проволоке или геофизическом кабеле пробозаборного устройства для забора глубинной пробы флюида или газа, содержащего пробоприемную камеру, соединение скважинного пространства с внутренней полостью пробоприемной камеры путем ее закрытия или открытия с помощью механизма гидропривода, который включают в работу с момента помещения пробозаборного устройства в скважинную среду [3].
Основным критерием получения качественной и кондиционной проб, исследовав которую можно получить достоверные значения реологических и PVT-свойств добываемого флюида или газа, является наличие достоверной информации о местоположении пробоотборника в стволе скважины в момент открытия (закрытия пробоприемной скважины и величине температуры и давления в точке отбора пробы на ее герметичность.
Известный способ отбора проб не обеспечивает возможности контролировать ни один из существенных параметров, характеризующих качество отобранной пробы, что и является основным его недостатком.
Массовое строительство наклонно-направленных и горизонтальных скважин со сложной пространственной траекторией ствола и отходами забоя от точки заложения устья скважины в несколько сот и даже тысяч метров, эксплуатация скважин с забойным давлением значительно ниже гидростатического, высокая обводненность добываемых флюидов и газов, дегазация нефти при низких забойных давлениях непосредственно в пласте-коллекторе, отложение в стволе скважины и лифтовых трубах парафинов, асфальтенов и смол накладывают целый ряд дополнительных требований как на сам способ производства работ по отбору глубинных проб, так и на технические средства и на методику скважинных работ.
При реализации известного способа с использованием «слепых» пробоотборников спустить их на заданную глубину в наклонно-направленную скважину при углах наклона ствола скважины от 35° до 65° или при условии в стволе скважины отложения парафинов и смол при отсутствии средств контроля за его перемещением, не представляется возможным.
В настоящее время, осуществляя работы по отбору проб по известному способу любыми серийными отечественными и зарубежными пробоотборниками, нет технической возможности объективно инструментально зарегистрировать информацию о глубине в точке отбора пробы, о времени и дате отбора пробы, термобарических условиях, что не позволяет достоверно определить в процессе лабораторных исследований PVT - свойства исследуемых флюидов и газов согласно методике (ГОСТ, ОСТ) ввиду отсутствия реальной объективной информации о вышеуказанных параметрах.
В большинстве случаев, в процессе лабораторных исследований глубинных проб, отобранных по методике работ, реализующих известный способ, специалист, выполняющий PVT-исследования, оперирует субъективной информацией, принимая постулат о том, что проба взята в интервале продуктивного дренируемого пласта при значении пластовой температуры и давлении, о которых имеется некоторая априорная информация в исследовательском центре, полученная не в конкретной скважине в точке отбора пробы, а в другой скважине данного или соседнего месторождения.
Вторым существенным недостатком известного способа является отсутствие возможности взять более одной глубинной пробы за один спуск устройства в скважину.
Задачей предлагаемого способа отбора глубинных проб флюидов, газов и их смесей является устранение всех вышеуказанных недостатков, свойственных известному способу.
Поставленная цель достигается тем, что в способе отбора глубинных проб флюидов, газов и их смесей, включающем в себя спуск в скважину на проволоке или геофизическом кабеле пробозаборного устройства для забора глубинной пробы флюида или газа, содержащего пробоприемную камеру, соединение скважинного пространства с внутренней полостью пробоприемной камеры путем ее закрытия или открытия с помощью механизма гидропривода, который включают в работу с момента помещения пробозаборного устройства в скважинную среду, согласно изобретению отбирают одновременно две и более глубинные герметичные пробы флюида или газа двумя и более пробоприемными камерами, при этом в процессе спуска, подъема и нахождения пробозаборного устройства на точке отбора пробы измеряют температуру, давление и глубину местоположения пробозаборного устройства в стволе скважины, а открытие или закрытие пробоприемных камер осуществляют синхронно или разновременно, при этом управление исполнительным органом механизма гидропривода осуществляют электромагнитным клапаном, управление закрытием или открытием которого осуществляют электронным программируемым контролером по заранее установленному до спуска пробозаборного устройства в скважину периоду времени или величине скважинного давления, а при наличии кабельной линии связи путем подачи управляющего сигнала с наземного блока.
При этом всю информацию о температуре, давлении и глубине местонахождения пробозаборного устройства в скважине, как и об открытии или закрытии электромагнитного клапана регистрируют в цифровой форме в масштабе реального времени, хранят до подъема пробозаборного устройства на устье скважины в энергонезависимой памяти или непрерывно передают на поверхность по кабельной линии связи. Программируемый период времени открытия и закрытия элекромагнитного клапана выбирается от 2 мин до нескольких десятков суток.
Также цель достигается тем, что осуществляют контроль и индикацию процесса открытия или закрытия электромагнитного клапана путем регистрации факта наличия тока в цепи питания обмотки электромагнитного клапана на период его подключения к блоку питания, или путем измерения динамики изменения давления в камере механизма гидропривода, а перевод исполнительного органа механизма гидропривода в исходное состояние осуществляют путем подключения обмотки электромагнитного клапана к внешнему источнику постоянного тока, чем обеспечивают открытие электромагнитного клапана.
Существующие в настоящее время серийно выпускаемые промышленностью скважинные устройства для отбора глубинных проб представляют собой цилиндрические герметичные скважинные устройства диаметром 28-62 мм, длиной 3000 мм и более и по принципу заполнения пробоприемной камеры делятся на две группы - проточные и всасывающие.
В проточных пробоотборниках проба герметизируется путем синхронного закрытия входного и выходного отверстий пробоприемной камеры.
Пробоприемная камера опускается в скважину в открытом состоянии, и скважинная жидкость свободно протекает через проточную камеру до момента ее закрытия. Закрытие входного и выходного отверстия в цилиндрической пробоприемной камере производится или рычажным механизмом, который при движении устройства вниз свободно скользит по внутренней стенке НКТ или обсадной колонны, но при движении устройства вверх его рычаги попадают в межмуфтовые зазоры труб и сводят пружинный механизм, закрывающий входное и выходное отверстия пробоприемной камеры, или управления рычажной системой осуществляется с помощью механического часового механизма, на этом принципе реализован пробоотборник ПГ-1000 [1, 2].
В непроточных всасывающих пробоотборниках реализован механизм заполнения пробозаборной камеры за счет перепада давления, так как пробоотборник спускается в скважину с «пустой», находящейся под атмосферным давлением пробоприемной камерой. При заборе пробы клапанный механизм открывает в корпусе устройства и скважинная жидкость или газ за счет перепада давлений в стволе и пробоприемной камере открывает механическое устройство герметизации пробоприемной камеры и на очень высокой скорости перетекает в нее.
Наиболее близким к заявляемому устройству является глубинный пробоотборник, спускаемый в скважину на скребковой проволоке или геофизическом кабеле, состоящий из цилиндрического корпуса, в котором размещены пробоприемная камера проточного или всасывающего типа с разделительным поршнем, балластная камера, клапанный механизм, механизм гидропривода с цилиндрической камерой, перемещающимся поршнем и штоком - пробоотборники ВПП-300, производимые серийно до настоящего времени с учетом доработок, выполненных в конце 90-х годов [3]. Устройство управления процессом открытия клапанного узла реализовано по принципу рычажного механического затвора или гидравлических часов с капиллярным стоком жидкости (трансформаторного масла).
Недостатками известного пробоотборника являются следующие:
1. Процесс управления клапанным узлом осуществляется с помощью жидкокапиллярного таймера, рабочий цикл гидравлического часового механизма (время протекания жидкости) в первую очередь зависит от реологических свойств используемой жидкости (масла) и температуры окружающей среды, так как именно температура и реологические свойства контролируют показатель вязкости органических и синтетических жидкостей, следовательно, нет возможности точной установки времени открытия клапанного механизма и как следствие глубины точки взятия пробы (времени открытия клапана).
Управление процессом закрытия пробозаборной камеры выполняется механизмом рычажного типа и зависит от вероятностного фактора попадания рычага в межмуфтовый зазор колонны или лифтовых труб.
2. Определяющим недостатком известного пробоотборника является отсутствие в их конструкции целого ряда конструктивных элементов и систем датчиков, способных обеспечить объективный контроль и регистрацию местоположения в стволе скважины точки взятия пробы, зарегистрировать в данной точке температуру и давление, а также предоставить объективную информацию пользователю о дате и времени проведения работ и отсутствие технической возможности предоставить эту информацию на объективных носителях (в электронном виде) в лабораторию по исследованию PVT -свойств флюидов и газов.
3. Перевод капиллярных гидравлических часов в исходное состояние после взятия пробы требует значительных затрат времени и необходимости работы персонала с маслянистыми жидкостями и синтетическими незамерзающими жидкостями (антифризом).
4. Отсутствует возможность использовать один и тот же пробоотборник для взятия нескольких глубинных проб за один его спуск в скважину.
Целью предлагаемого пробоотборника является создание автономного и дистанционного электронно-программируемого пробоотборника, позволяющего производить взятие нескольких глубинных проб за один его спуск в скважину с одновременным измерением глубины местоположения пробоотборника в точке отбора пробы, температуры и давления флюида или газа в данной точке, а также фиксации момента открытия и закрытия пробоприемной камеры.
Поставленная цель достигается тем, что в глубинном пробоотборнике, спускаемом в скважину на скребковой проволоке или геофизическом кабеле и состоящем из цилиндрического корпуса, в котором размещены пробоприемная камера проточного или всасывающего типа с разделительным поршнем, балластная камера, клапанный механизм, механизм гидропривода с цилиндрической камерой, перемещающимся поршнем и штоком, в цилиндрическом корпусе расположено две и более пробоприемные камеры, помещенные в пробозаборный модуль, расположенный в ряду соединенных между собой с помощью резьбовых соединений герметичных функционально связанных электронного модуля и модуля гидропривода, электронный модуль включает в себя последовательно соединенные блок энергообеспечения, состоящий из одного или нескольких сухих гальванических элементов или аккумуляторов, встроенный источник стабилизированного питания постоянного тока в диапазоне напряжений от 3,6 до 1000В, к которому подключен набор измерительных физических датчиков, соединенных с электронной схемой регистрации, обеспечивающей сбор и обработку информации в цифровой форме и состоящей из программируемого контроллера и электронного таймера отсчета текущего календарного времени, соединенных с программно-управляемым энергонезависимым запоминающим устройством (ПЗУ) и аналого-цифровым преобразователем (АЦП), модуль гидропривода включает в себя цилиндрическую камеру, балластную камеру и электромагнитный клапан, а пробозаборный модуль включает в себя пробоприемные камеры, клапанный механизм и фильтр с магнитным сепаратором, установленный между клапанным механизмом и пробоприемными камерами.
При этом в качестве физических датчиков используют датчики измерения температуры, давления, естественного радиоактивного фона горных пород в стволе скважины, фиксации пиковых значений магнитного поля муфтовых соединений в обсадных или лифтовых трубах.
Кроме того, глубинный пробоотборник содержит цифровой интерфейс для подключения ПЗУ персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ), а при наличии кабельного канала связи между глубинным пробоотборником и наземным блоком контроля и управления его работой установлен электронный блок преобразования, кодирования и передачи информации.
Модуль гидропривода, электронный модуль и пробозаборный модуль могут быть соединены в разных сочетаниях в длинномерную конструкцию.
Возможность непрерывного измерения температуры и давления по стволу скважины в процессе производства спуска и подъема пробозаборного устройства и длительного (до 15 суток) измерения пластового значения температуры и давления в точке отбора пробы в конкретно дренируемом пласте позволяет полностью отказаться от использования априорных данных, таких как глубина, температура и давление в точке отбора и оперировать фактически измеренными значениями пластового давления и температуры пласта в исследуемом пласте-коллекторе, предусматривает создание существенно отличных от используемых в настоящее время средств - глубинных пробоотборников, в которых наряду с использованием элементов конструкции, присущих прототипу, таких как камера гидропривода с балластной камерой, перемещающимся поршнем и связанным с ним штоком, клапанным узлом, пробозаборной камеры с перемещающимся поршнем и компенсационной камерой с коническим подпружиненным узлом герметизации пробы, содержится ряд принципиально новых конструктивных элементов и датчиков, ранее никогда не использующихся при конструировании систем и приборов для отбора глубинных проб, способных обеспечить точное измерение глубины, температуры, давления в стволе скважины и в точке отбора пробы с системой регистрации всей информации с привязкой к календарному времени, фиксировать момент открытия (закрытия) пробозаборных камер, которых в заявленном авторами пробозаборном устройстве может быть одна, две и более, и при этом обеспечивать хранение всей информации, поступающей от датчиков в ПЗУ устройства, а при наличии кабельной линии связи между устройством и поверхностью, если пробоотборник спускается в скважину на геофизическом кабеле, передавать непрерывно, в реальном масштабе времени всю информацию со скважинного прибора в наземный блок управления и контроля за работой устройства.
Глубинный скважинный цифровой многокамерный программно-управляемый пробоотборник построен по модульному принципу и содержит ряд конструктивно законченных модулей (блоков), но функционально связанных друг с другом, обеспечивающих решение всех инженерно-технических и методических задач, перечисленных выше. При этом в одно спускаемое в скважину устройство может входить несколько одинаковых модулей. Все модульные элементы пробоотборника реализованы в виде прочных герметичных цилиндрических корпусных элементов (сборочных единиц) диаметром 22-62 мм и длиной от 300 до 3400 мм, изготовленных из высококачественной легированной стали или титановых сплавов.
Функционально имеется три базовых модуля: электронный модуль, модуль гидропривода и модуль пробоприемной камеры.
1. Электронный модуль. Содержит в своей конструкции датчик измерения естественного радиоактивного фона горных пород, так называемый канал гамма каротажа (ГК), датчик фиксации количества муфтовых соединений в обсадной колонне или лифтовых трубах, так называемый магнитный локатор муфт, реализован как электромагнитно-индуктивный пиковой детектор магнитного поля колонны, физические датчики измерения температуры и давления, блок питания электронной схемы прибора, электронный программируемый контролер, электронный таймер (часы), компаратор, АЦП, источник электропитания в виде сухих гальванических элементов, электронный встроенный преобразователь тока и напряжения - многовыходной стабилизированный блок питания на напряжение -3,6 В, +3,6 В, -6 В, +6 В, -12 В, +12 В, -1000 В и +1000 В (см. фиг.1). Если скважинный прибор - глубинный пробоотборник работает как автономный модуль (без кабельной линии связи), то электронный модуль содержит ПЗУ, выходной интерфейс для считывания информации, хранящейся в ПЗУ непосредственно на ПЭВМ. При связи электронного модуля с поверхностью при помощи кабельной линии связи и передаче информации по кабельной линии связи в наземное регистрирующее устройство в модуле монтируется электронный блок преобразования, кодирования и передачи информации по кабельной линии связи на Манчестер-2.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена блок-схема электронного модуля устройства, на фиг.2 схематично показан принцип построения глубинного пробоотборника, на фиг.3 представлены различные сочетания отдельных модулей, из которых состоит глубинный пробоотборник; на фиг.3а - двухкамерный пробоотборник, спускаемый на геофизическом кабеле, на фиг.3б - двухкамерный автономный пробоотборник с двумя проточными пробоприемными камерами, на фиг.3в - двухкамерный пробоотборник с двумя всасывающими пробоприемными камерами, на фиг.3г - трехкамерный пробоотборник с двумя проточными и одной всасывающей пробоприемными камерами, на фиг.3д - однокамерный автономный пробоотборник.
Электронный модуль глубинного пробоотборника включает набор измерительных датчиков: магнитный локатор 1 муфтовых соединений колонны, датчик температуры 2, датчик давления 3, фоточувствительный преобразователь γ-квантов 4, кристалл NaJ, канала ГК, фотоэлектронный умножитель 5 для канала ГК, которые соединены с электронной схемой регистрации, обеспечивающей сбор и обработку информации в цифровой форме и состоящей из программируемого контролер 6 АЦП 7, ПЗУ 8, электронный таймер 9 отсчета текущего календарного времени, встроенный источник стабилизированного питания постоянного тока в диапазоне напряжений от 3,6 до 1000 В 10, блок энергообеспечения 11, состоящий из одного или нескольких сухих гальванических элементов или аккумуляторов, блок высокого напряжения канала ГК 12. Электронная схема регистрации связана с электромагнитным клапаном 13 управления модуля гидропривода, а при наличии кабельного канала связи глубинный пробоотборник связан с наземным блоком 14 управления и контроля через электронный блок преобразования, кодирования и передачи информации.
Все электронные компоненты, указанные выше, являются электронными микросборками и микросхемами заводского изготовления с законченными функциональными возможностями и поставляются серийно электронной промышленностью.
Электронный модуль глубинного пробоотборника является функционально законченным устройством, обеспечивающим выполнение следующих функций:
- фиксацию местоположения прибора в скважине путем регистрации кривой изменения естественного радиоактивного фона ГК стенок скважины с системой дополнительного дублирования регистрации местоположения устройства в скважине при помощи датчика локатора муфтовых соединений при спуске и подъеме устройства и в точке отбора пробы;
- непрерывное измерение, с дискретностью от 0,1 сек до n минут в стволе скважины текущего значения величины давления и температуры в течение длительного времени от единиц до десятков суток;
- регистрацию информации, поступающей с датчиков и ее накопление и хранение в ПЗУ устройства с привязкой к фактическому календарному времени с указанием года, месяца, дня, часа, минут, сек;
- управления работой электромагнитного клапана гидропривода по наперед заданной программе по параметру - времени или давлению.
Наличие в электронном модуле таких электронных компонентов, как программируемый контролер, компаратор, электронный таймер, ПЗУ позволяют данному устройству выполнять как непрерывные измерения и обработку информации, поступающей от физических датчиков, размещенных в модуле, так и ряд управленческих и контрольных функций, непосредственно связанных с процессом отбора глубинных проб, осуществляя по заранее заданной программе подачу "команды" управляющего сигнала на электромагнитный клапан гидропривода, который в свою очередь управляет работой клапанного механизма, что обеспечивает выполнение устройством его функциональной задачи - взятие глубинной пробы флюида или газа в строго установленный период времени или при заданной величине давления и зафиксировать значения температуры, давления и глубины при выполнении данной операции.
2. Модуль гидропривода. Модуль гидропривода является вторым, функционально завершенным исполнительным механизмом, который реализует открытие и закрытие канала, соединяющего скважинное пространство с внутренней полостью пробоприемной камеры.
В заявленном устройстве интеллектуальное управление процессом открытия и закрытия клапанного узла модуля гидропривода, через проходное отверстие которого поступает скважинный флюид или газ в пробоприемную камеру, реализовано с помощью электрогидравлической системы, исполнительным органом которой является электромагнитный клапан. Предусмотрено два принципа управления модулем гидропривода.
В одном случае управляющая "команда" (сигнал) от программируемого контролера на подключение одного из выходов источника стабилизированного электропитания, встроенного в электронный модуль, к электрической цепи катушки электромагнитного клапана, находящемся в модуле гидропривода, поступает от электронного таймера через "строго" заданный, программируемый заранее, интервал времени от 2 мин до нескольких десятков суток с момента спуска пробоотборника в скважину. Период времени, по истечении которого открывается клапан, программируется контролером еще при нахождении устройства на поверхности при помощи клавиатуры ПЭВМ. Ток питания на катушку электромагнита, управляющего открытием (закрытием) пробоотборника, поступит только в том случае, если цифровой код, соответствующий интервалу времени, запрограммированному заранее и указанному в контролере, совпадет с фактически поступившим от электронного таймера цифровым кодом, соответствующим фактически истекшему времени с момента спуска прибора в скважину.
В другом случае управляющая "команда" на подключение встроенного источника тока (блока питания) к цепи питания катушки электромагнитного исполнительного клапана модуля гидропривода может поступить от датчика давления, встроенного в корпус электронного модуля, при достижении в скважине заданного, программируемого контролером, значения величины давления перед спуском прибора в скважину, т.е. подключение блока питания электронного модуля к цепи питания электромагнитного клапана наступает только тогда, когда будет иметь место совпадение цифрового кода, заданного значения давления при программировании контролера, с реальном цифровым кодом, в который будет преобразована фактическая величина давления, измеренная в скважине в данный момент времени.
Модуль гидропривода конструктивно выполнен в виде герметичного цилиндрического корпуса диаметром 28-62 мм длиной 120-1400 мм и содержит в своем составе шток, сечение которого меньше внутреннего диаметра корпуса модуля, один конец которого соединен с клапанным механизмом, выполняющим функцию открытия (закрытия) канала для протока флюида или газа в пробоприемную камеру, а другой соединен с поршнем, перемещающимся в камере гидропривода на расстояние от 5 мм до 100 мм и более.
Поршень гидропривода находится в исходном состоянии в крайнем положении внутри цилиндрической камеры гидропривода, надпоршневое пространство заполнено технической жидкостью - маслом, антифризом и др. Камера гидропривода с находящейся над поршнем жидкостью имеет канал, соединяющий ее с балластной камерой. Канал, по которому перетекает жидкость с камеры гидропривода в балластную камеру, перекрывается герметичным клапаном, управление которым (открытие или закрытие) осуществляется программно.
На фигуре 2 приведена конструкция пробоотборника, где: 15 - головка крепления устройства к проволоке или геофизическому кабелю, 16 - корпус устройства, 17 - электронная плата электронного модуля, 18 - проводная линия связи модуля гидропривода с электронным модулем, 19 - датчик давления в камере гидропривода, 20 - воздушная балластная камера, 21 - поршень балластной камеры, 22 - жидкость в балластной камере, 23 - гидросопротивление, 24 - электромагнитный клапан, 25 - корпус электромагнитного клапана, 26 - канал для протока жидкости из камеры гидропривода в балластную камеру, 27 - рабочая жидкость в надпоршневом пространстве камеры гидропривода, 28 - поршень в камере гидропривода, 29 - шток-толкатель исполнительного клапанного механизма, 30 - отверстия в корпусе устройства для протока флюида или газа, 31 - клапанный механизм, 32 - корпус клапанного механизма, 33 - двухступенчатый фильтр с магнитным сепаратором, 34 - переходник, соединяющий модуль гидропривода с пробоприемной камерой, 35 - подпружиненный конусный механизм герметизации пробоприемной камеры, 36 - разделительный поршень пробоприемной камеры, 37 - нижний хвостовик-заглушка пробоотборника.
Принцип работы пробозаборного устройства.
Собранный в единую сборку базовой комплектации пробоотборник из отдельных модулей - электронного, гидропривода и модуля двух пробоприемных камер, образует законченное устройство для отбора глубинных проб в нефтяных и газовых скважинах.
До спуска устройства в скважину в электронный блок устанавливают сухие гальванические элементы электропитания, после чего электронный модуль автоматически приводится в рабочее состояние. С помощью соединительного шнура электронный модуль подсоединяется к ПЭВМ и, используя встроенный интерфейс связи ПЭВМ и электронного модуля пробоотборника, с клавиатуры ПЭВМ производится программирование процесса работы пробоотборника, а именно задается программа дискретности опроса по времени первичных физических датчиков, вводится в электронный таймер исходная информация по текущему календарному времени, программируется контроллер по времени или давлению на выдачу команды по синхронному или разновременному управлению работой модуля гидропривода и клапанного механизма, управляющего работой двух пробоприемных камер, после чего пробоотборник опускается в скважину на заданную глубину.
При спуске пробоотборника ведется непрерывно регистрация температуры, давления и местоположения устройства в скважине.
По истечению запрограммированного времени контроллер 6 выдает команду на подачу тока питания на катушку электромагнитного клапана 24. Камера гидропривода соединяется с балластной через канал малого сечения, именуемый гидросопротивлением 23. Внутри камеры гидропривода 27 помещается поршень 28, в исходном состоянии находящийся в крайнем нижнем положении, после открытия канала, соединяющего камеру гидропривода и балластную, под действием гидравлической силы (давления), приложенной к поверхности соединенного с ним штока, он начинает двигаться, перемещая при этом часть жидкости из камеры гидропривода в балластную. Поршень, перемещаясь в камере гидропривода, увлекает за собой соединенный с ним шток, который, в свою очередь, тянет за собой затвор клапанного механизма, а последний открывает канал, соединяющий скважинное пространство с внутренней полостью пробоприемной камеры. Движение штоку 29 и соединенному с ним поршню 29 камеры гидропривода придает сила F1, действующая на его поверхность, которая пропорциональна произведению гидростатического давления (Рст) в скважине на конкретной глубине на площадь поперечного сечения штока (Sшт):
F1=Pст×Sшт.
Приведение в действие исполнительного механизма модуля гидропривода, открывающего (перекрывающего) доступ скважинного флюида или газа в пробоприемную камеру, возможно только в том случае, если имеет место факт линейного перемещения поршня и связанного с ним штока в камере гидропривода на некоторое расстояние.
Перемещение поршня 28 в камере гидропривода возможно в том случае, если на обмотку электромагнитного клапана, перекрывающего сечение отверстия, соединяющего эту камеру гидропривода с балластной, будет подан ток и электромагнитный клапан откроет канал для перетока жидкости из одной камеры в другую.
Контроль факта выполнения модулем гидропривода своего функционального назначения - выполнения работы по открытию (закрытию) клапанного механизма пробоотборника контролируется и регистрируется электронным блоком двумя способами.
В одном случае способ контроля реализован путем измерений периода времени прохождения тока от источника питания в электрическую цепь электромагнитного клапана, управляющего работой гидропривода. Продолжительность периода времени прохождения тока и его величина заранее определены конструктивными особенностями модуля при его проектировании и изготовлении. При этом ПЗУ фиксирует сам факт наличия (или отсутствия) тока в цепи питания электромагнитного клапана. Именно эта информация о длительности периода времени протекания тока в цепи электромагнита фиксируется в цифровой форме электронной схемой скважинного модуля и позволяет только опосредованным способом иметь информацию о факте открытия (закрытия) клапанного узла.
Вторым действенным способом реального контроля за исполнением модулем гидропривода своей функции перемещения штока для открытия (закрытия) канала в корпусе устройства для протока скважинного флюида или газа в пробоприемную камеру, является установка датчика измерения давления в камере высокого давления в надпоршневом пространстве цилиндра гидропривода с последующей передачей этой информации от датчика давления по линии связи в электронный модуль, где осуществляется измерение величины и длительности периода изменения давления с последующей обработкой и регистрацией этой информации в цифровой форме в энергонезависимой памяти электронного модуля устройства или передачи этой информации на поверхность.
Чтобы привести исполнительный механизм модуля гидропривода в исходное состояние, достаточно после подъема его на поверхность от внешнего источника подать ток питания на электромагнитный клапан и с помощью толкателя (вручную) или иным способом, переместить поршень балластной камеры в исходное (закрытое) положение, что в свою очередь под действием гидродинамической связи обеспечит перемещение поршня в камере гидропривода и соединенного с ним штока в исходное состояние, а, как следствие, связанный с ним клапанный механизм вернется в исходное (закрытое) состояние.
Модуль гидропривода имеет резьбовые цилиндрические герметичные узлы соединения с другими модулями и контактный разъем для механического и электрического подсоединения данного устройства к электронному модулю, модулю пробоприемной камеры, к другим модулям глубинного пробоотборника или геофизическому кабелю.
Модуль гидропривода является завершенным исполнительным устройством, который при подаче тока на катушку электромагнита от любого внешнего источника электропитания или электронного модуля, находясь в скважине под избыточным гидростатическим давлением, осуществляет работу по линейному перемещению любого исполнительного механизма на расчетное расстояние. Длина его хода может быть различной и практически ограничивается только линейными размерами модуля.
Данное устройство может использоваться и в других технических средствах, применяемых в практике геофизических и геолого-промысловых работ в скважинах, в аварийном и ловильном инструменте.
3. Модуль пробоприемной камеры. Третьим элементом модульной конструкции глубинного пробоотборника является функционально завершенный модуль - пробоприемная камера всасывающего или проточного типа.
Данный элемент конструкции присутствует как в устройствах- прототипах глубинных пробоотборников ВПП-300 и ПГ-1000, так и во всех других модификациях пробоотборников.
Отличительной особенностью пробоприемных камер, которые предлагают авторы изобретения, является то, что камеры, конструктивно внешне не отличаясь от серийных (всасывающей в пробоотборнике ВПП-300 и проточной в пробоотборнике ПГ-100), имеют существенное отличие. В переходнике, соединяющем пробозаборную камеру с клапанным механизмом модуля гидропривода, устанавливается двухступенчатый сетчатый фильтр с магнитным сепаратором потока для очистки флюида от ферросодержащих мехпримесей, представляющий собой кольцевой постоянный магнит, вложенный между двумя сетчатыми фильтрами, исключающий возможность попадания в пробоприемную камеру крупных частиц ржавчины, окалины и иных магниточувствительных частиц, которые препятствуют качественному запиранию конусного устройства узла герметизации пробоприемной камеры.
Предлагаемые авторами способ отбора глубинных проб флюидов и газов и устройство по его реализации позволяют строить из отдельных функционально завершенных модулей - электронного, гидропривода и пробоприемных камер многокамерные автономные и дистанционно-кабельные программно-управляемые пробоотборники с регистрацией глубины, температуры и давления по стволу скважины и в точке отбора проб, состоящие из одной, двух, трех и более пробоприемных камер.
Путем механической стыковки отдельных элементов конструкции возможно создание различных модификаций устройств для отбора глубинных проб.
На фиг.3 представлены различные сочетания отдельных модулей, из которых состоит глубинный пробоотборник, где поз.39 обозначен модуль гидропривода, поз.40 - пробоприемная камера всасывающего типа, поз.41 - автономный электронный модуль, поз.42 - пробоприемная камера проточного типа.
Реализация предлагаемого способа отбора проб и устройства по его осуществлению позволяют отбирать в скважинах на одной точке (глубине) при одних и тех же термобарических условиях не менее 2-3 глубинных проб.
Конструктивное построение многокамерного устройства по отбору глубинных проб позволяет дистанционно управлять процессом открытия (закрытия) пробоприемных камер с поверхности при наличии кабельной линии связи или работать в автономном программируемом режиме и вся информация считывается с блока ПЗУ после подъема его на устье путем подключения через интерфейс к электронному блоку ПЭВМ, после чего информация посредством ПЭВМ обрабатывается, визуализируется, копируется на бумажный или электронный носитель для дальнейшего использования и хранения.
Источники информации
1. Справочная книга по добыче нефти. Под ред. Риматудинова Ш.К. М.: Недра, 1974, стр.43-45.
2. Ашмян К.Д. и др. Каталог приборов и оборудования для исследования пластов, скважин и нефтей. М.: Изв. ВНИИ, 1993, стр.14-163.
3. Хазнаферов А.И. Исследование пластовых нефтей, под редакцией В.Н.Мамуны. М.: Недра, 1987, с.46-56.
1. Способ отбора глубинных проб флюидов, газов и их смесей включает в себя спуск в скважину на проволоке или геофизическом кабеле пробозаборного устройства для забора глубинной пробы флюида или газа, содержащего пробоприемную камеру, соединение скважинного пространства с внутренней полостью пробоприемной камеры путем ее закрытия или открытия с помощью механизма гидропривода, который включают в работу с момента помещения пробозаборного устройства в скважинную среду, отличающийся тем, что отбирают одновременно две и более глубинные герметичные пробы флюида или газа двумя и более пробоприемными камерами, при этом в процессе спуска, подъема и нахождения пробозаборного устройства на точке отбора пробы измеряют температуру, давление и глубину местоположения пробозаборного устройства в стволе скважины, а открытие или закрытие пробоприемных камер осуществляют синхронно или разновременно, при этом управление исполнительным органом механизма гидропривода осуществляют электромагнитным клапаном, управление закрытием или открытием которого осуществляют электронным программируемым контролером по заранее установленному до спуска пробозаборного устройства в скважину периоду времени или величине скважинного давления, а при наличии кабельной линии связи - путем подачи управляющего сигнала с наземного блока.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что всю информацию о температуре, давлении и глубине местонахождения пробозаборного устройства в скважине, как и об открытии или закрытии электромагнитного клапана, регистрируют в цифровой форме в масштабе реального времени, хранят до подъема пробозаборного устройства на устье скважины в энергонезависимой памяти или непрерывно передают на поверхность по кабельной линии связи.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что программируемый период времени открытия и закрытия элекромагнитного клапана выбирается от 2 мин до нескольких десятков суток.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют контроль и индикацию процесса открытия или закрытия электромагнитного клапана путем регистрации факта наличия тока в цепи питания обмотки электромагнитного клапана на период его подключения к блоку питания или путем измерения динамики изменения давления в камере механизма гидропривода.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что перевод исполнительного органа механизма гидропривода в исходное состояние осуществляют путем подключения обмотки электромагнитного клапана к внешнему источнику постоянного тока, чем обеспечивают открытие электромагнитного клапана.
6. Глубинный пробоотборник, спускаемый в скважину на скребковой проволоке или геофизическом кабеле, состоящий из цилиндрического корпуса, в котором размещены пробоприемная камера проточного или всасывающего типа с разделительным поршнем, балластная камера, клапанный механизм, механизм гидропривода с цилиндрической камерой, перемещающимся поршнем и штоком, отличающийся тем, что в цилиндрическом корпусе пробоотборника расположено две и более пробоприемные камеры, помещенные в пробозаборный модуль, расположенный в ряду соединенных между собой с помощью резьбовых соединений герметичных, функционально связанных электронного модуля и модуля гидропривода, электронный модуль включает в себя последовательно соединенные блок энергообеспечения, состоящий из одного или нескольких сухих гальванических элементов или аккумуляторов, встроенный источник стабилизированного питания постоянного тока в диапазоне напряжений от 3,6 до 1000 В, к которому подключен набор измерительных физических датчиков, соединенных с электронной схемой регистрации, обеспечивающей сбор и обработку информации в цифровой форме и состоящей из программируемого контроллера и электронного таймера отсчета текущего календарного времени, соединенных с программно-управляемым энергонезависимым запоминающим устройством и аналого-цифровым преобразователем, модуль гидропривода включает в себя цилиндрическую камеру, балластную камеру и электромагнитный клапан, а пробозаборный модуль включает в себя пробоприемные камеры, клапанный механизм и фильтр с магнитным сепаратором, установленный между клапанным механизмом и пробоприемными камерами.
7. Глубинный пробоотборник по п.6, отличающийся тем, что в качестве физических датчиков используют датчики измерения температуры, давления, естественного радиоактивного фона горных пород в стволе скважины, фиксации пиковых значений магнитного поля муфтовых соединений в обсадных или лифтовых трубах.
8. Глубинный пробоотборник по п.6, отличающийся тем, что содержит цифровой интерфейс для подключения программно-управляемого запоминающего устройства к персональной электронно-вычислительной машине, а при наличии кабельного канала связи между глубинным пробоотборником и наземным блоком контроля и управления его работой установлен электронный блок преобразования, кодирования и передачи информации.
9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что модуль гидропривода, электронный модуль и пробозаборный модуль могут быть соединены в разных сочетаниях в длинномерную конструкцию.
