Устройство для возбуждения упругих волн в скважинах

Изобретение относится к устройствам для возбуждения упругих волн в скважинах, применяется для межскважинного сейсмопросвечивания горных пород на нефтяных и газовых месторождениях, также для декольматации фильтров нефтяных и водозаборных скважин. Устройство содержит генератор импульсов тока, коаксиальный кабель и электромеханический преобразователь в виде катушки индуктивности, установленной на цилиндрическом каркасе из электроизоляционного материала, и металлического ударника. При этом катушка индуктивности выполнена цилиндрической и намотана на каркасе соосно ударнику, а металлический ударник выполнен в виде трубки, коаксиально размещенной снаружи катушки индуктивности и разделенной вдоль образующей на несколько секций, соединенных между собой упругими элементами. Технический результат - повышение механической прочности и надежности устройства, а также увеличение амплитуды и мощности сейсмического импульса. 3 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для возбуждения упругих волн в скважинах и может применяться для межскважинного сейсмопросвечивания нефтяных и газовых месторождений, а также для декольматации фильтров нефтяных и водозаборных скважин.

Известно устройство для возбуждения упругих волн, так называемый электрогидравлический источник сейсмоимпульсов «Искра 20/70» с запасаемой энергией 20 кДж и рабочим напряжением 70 кВ (см. статью Зайдельсон И.И., Редколис В.А., Рихтер В.И. Использование электрогидравлического эффекта в сейсморазведке. // Физика земли. 1965, №7, с.106-114), который представляет собой передвижную установку с генератором переменного тока, высоковольтным трансформатором, выпрямителем, батареей конденсаторов, передающим кабелем и излучающим двухэлектродным разрядником, который опускается в заполненную водой скважину. При электрическом пробое разрядника в воде возникает импульс давления, который передается в окружающую среду и возбуждает упругие волны.

Недостатки источника «Искра 20/70»:

- сложность и громоздкость конструкции;

- в скважину (на глубину 5-8 метров) опускается лишь разрядник - излучатель ударных и акустических волн, а емкостной накопитель энергии, системы его зарядки и управления находятся на поверхности земли. Дальнейшее погружение излучателя приводит к уменьшению разрядного тока и энергии ударной волны и акустического сигнала.

Кроме того, недостатком известного электроразрядного устройства для возбуждения упругих колебаний является зависимость амплитуды упругой волны от проводимости воды в водоеме или в скважине, а именно в морской соленой воде или в минерализованной скважинной жидкости электрический разряд становится объемным, как в жидкостном резисторе, а не нитевидным. Соответственно, взрывного перегрева воды или скважинной жидкости при разряде не происходит и ударная волна (вблизи канала разряда) и упругая волна (на больших расстояниях) имеют малую амплитуду.

Эти недостатки явились причиной того, что источники «Искра 20/70» нашли применение только для инженерно-геологических исследований при строительстве объектов гражданского и промышленного строительства: метрополитенов, тоннелей, портов, гидростанций и др.

Известен также скважинный источник упругих волн с регулируемой направленностью (см. а.с. СССР №1160343, МКИ⁴ G01V 1/40, заявл. 05.03.80, опубл. 07.06.85, бюл. №21), содержащий корпус, ударные элементы и узел излучения. Источник снабжен дополнительно двумя электромагнитных приводами (электродинамическими преобразователями), ударные элементы которых размещены по разные стороны от узла излучения с возможностью воздействия на него. Каждый электромагнитный привод состоит из катушек индуктивности и ударников, размещенных вдоль направляющих штоков. Узел излучения выполнен из ползунов, установленных на направляющих, и упорных башмаков, которые шарнирно связаны с ползунами с помощью рычажных звеньев. Секции корпуса и ударники изготовлены из ферромагнитного материала, а ползуны и штоки для исключения залипания выполнены из немагнитного материала.

Данный источник работает следующим образом. При подаче управляющего напряжения на катушки приводятся в действие ударники, которые совершают возвратно-поступательные движения. Сила воздействия от ударников может быть приложена либо к головкам штоков, либо к ползунам. Последние, встречно перемещаясь по направляющим, через рычаги передают движение опорным башмакам. Через некоторое число включений (воздействий), зависящих от диаметра скважины, рычаги выдвигают башмаки до упора в стенку скважины. Если продолжать включения (силовые воздействия), то энергия удара будет передаваться стенкам скважины. Наличие прижима обеспечивает надежную передачу силовых возбуждений в окружающие горные породы и необходимую направленность сейсмических волн. Проводимость скважинной жидкости на работу данного скважинного электродинамического источника упругих волн не влияет.

Недостатки данного скважинного источника упругих волн:

- сложность устройства вследствие наличия двух электромагнитных приводов с катушками, ползунами и башмаками;

- неизвлекаемость устройства при обрушении стенки скважины (рычаги и башмаки могут не убраться в пазы корпусов и превратятся в якорь);

- малые амплитуда сейсмоимпульса и дальность сейсмопросвечивания горных пород, так как магнитные поля в катушках, которые разгоняют ударники, ограничены насыщением ферромагнитного материала ударников (ударники генерируют давления на уровне примерно 0,5 МПа или 5 атм).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению - прототипом - является устройство для декольматации фильтров скважин (см. а.с. СССР №436679, МПК В06В 1/04, заявл. 17.04.72, опубл. 25.07.74, бюл. №27). Это устройство содержит генератор импульсов тока, коаксиальный кабель и электромеханический преобразователь, в котором на срезах боковой поверхности цилиндрического корпуса (каркаса) из изоляционного материала установлены плоские электромагнитные катушки с прижатыми к ним через изоляционные прокладки посредством резиновых колец металлическими сегментными пластинами-бойками. При подаче высокого напряжения на плоские электромагнитные катушки в пластинах-бойках индуцируется вторичный электрический ток, далее, благодаря электродинамическому взаимодействию токов в катушках и пластинах-бойках, последние наносят удар по стенке обсадной колонны или скважинного фильтра. Ударное воздействие, которое передается через стенки фильтра на кольматирующий осадок, вызывает разрушение последнего и отделение его от поверхности фильтра. После очистки верхнего пояса скважинного фильтра устройство опускается ниже и ударным воздействием очищается следующая зона скважинного фильтра. Проводимость скважинной жидкости на работу электромеханического преобразователя и всего устройства не влияет.

Это устройство с ударным механизмом воздействия на стенки фильтра может применяться не только для декольматации фильтров скважин, но и для межскважинного сейсмопросвечивания, так как при импульсном ударе генерируется широкий спектр упругих волн.

Недостатки прототипа:

- большие потери электрической энергии на коаксиальном кабеле;

- малый коэффициент магнитной связи Ксв≤0,7 между плоскими электромагнитными катушками и пластинами-бойками и большие до 50% потери магнитной энергии и магнитного потока, что снижает электромеханический к.п.д устройства;

- слабая электродинамическая прочность самих катушек и слабая механическая прочность крепления их на изоляционном каркасе (плоские электромагнитные катушки в ходе ударов - прохождения по ним волн напряжения и разрежения будут отрываться (откалываться) от боковой поверхности изоляционного корпуса).

В совокупности эти недостатки не позволяют работать устройству в области больших токов и магнитных полей и, соответственно, больших механических ударов и обеспечивать большие ресурс работы и дальность сейсмопросвечивания.

Задачей настоящего изобретения является увеличение ресурса работы и повышение дальности сейсмопросвечивания.

Технический результат изобретения - повышение механической прочности и надежности устройства, а также достижение большей амплитуды и мощности сейсмического импульса.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве для возбуждения упругих волн в скважинах, содержащем генератор импульсов тока, коаксиальный кабель и электромеханический преобразователь в виде катушки индуктивности, установленной на цилиндрическом каркасе из электроизоляционного материала, и металлического ударника, новым является то, что катушка индуктивности намотана на каркас соосно ему, а металлический ударник выполнен в виде трубки, коаксиально размещенной снаружи катушки индуктивности и разделенной вдоль образующей на несколько секций, соединенных между собой упругими элементами.

Выполнение катушки индуктивности, намотанной на цилиндрической изоляционный каркас соосно ему, а металлического ударника в виде трубки, расположенной снаружи катушки обеспечивает:

- намотку катушки индуктивности любой длины и с любой плотностью витков и, за счет этого, возможность регулирования в широких пределах давления магнитного поля и амплитуды сейсмического импульса;

- увеличение электродинамической стойкости катушки индуктивности (витки катушки поджимаются магнитным полем друг к другу и к каркасу), соответственно, через катушку можно пропускать больший ток, можно повысить уровень напряженности магнитного поля, т.е. добиться повышения давления магнитного поля на трубку-ударник и мощности сейсмического импульса.

- увеличение коэффициента магнитной связи между катушкой индуктивности и металлическим ударником до Ксв≈0,9, вследствие этого, снижение до 20% потерь магнитной энергии и магнитного потока и увеличение давления магнитного поля на внутреннюю поверхность трубки-ударника;

Деление (разрез) проводящей трубки - ударника вдоль образующей на несколько отдельных дугообразных секций, соединенных между собой упругими проводящими элементами, обеспечивает:

- беспрепятственное протекание и формирование «листа» вторичного тока по внутренней поверхности секций проводящей трубки-ударника и нормальное электродинамическое взаимодействие тока в катушке индуктивности и вторичного тока в секциях трубки-ударника;

- ликвидацию противодействующей силы упругости металлической трубки (металл трубки не испытывает растягивающих напряжений или, другими словами, трубка ведет себя как металлический «браслет») и резкое до 30% увеличение электромеханического к.п.д. устройства.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показан пример выполнения (продольный разрез) электромеханического преобразователя устройства для возбуждения упругих волн в скважинах.

На фиг.2 изображена конструкция металлического ударника в виде трубки, разрезанной вдоль образующей на несколько отдельных дугообразных секций, соединенных между собой упругими проводящими элементами.

На фиг.3 представлены результаты расчетов к.п.д электромеханического преобразователя по фиг.1.

Заявляемое устройство для возбуждения упругих волн в скважинах содержит генератор импульсных токов, коаксиальный кабель и электромеханический преобразователь.

Электромеханический преобразователь (см. фиг.1) представляет собой отдельный конструктивный модуль. Электромеханический преобразователь состоит из цилиндрической катушки индуктивности 1, намотанной на цилиндрическом изоляционном каркасе 2, и металлического ударника 3. Металлический ударник 3 выполнен в виде трубки, коаксиально размещенной снаружи катушки индуктивности 1.

Правый конец катушки индуктивности 1 присоединен к центральному токоподводу 4, заканчивающемуся цангой 5, а левый конец катушки индуктивности 1 подпаян к наружному металлическому корпусу 6. Витки катушки индуктивности 1 закреплены от смещения и пропитаны эпоксидным компаундом. Поверх витков катушки индуктивности может быть намотано дополнительно несколько слоев лавсановой пленки. Центральный токоподвод 4 изолирован от корпуса 6 с помощью капролонового изолятора 7. Диэлектрический обтекатель 8 и пробка 9 обеспечивают изоляцию и герметизацию центрального токоподвода 4 от скважинной жидкости. Диаметр катушки индуктивности 86 мм, длина 350 мм, число витков 30.

Трубка-ударник 3 разрезана (см. фиг.2) вдоль образующей на шесть отдельных дугообразных секций 10, соединенных между собой упругими проводящими элементами 11. Дугообразные секции 10 выполнены из меди или нержавеющей стали. Толщина металла в каждой секции 4 мм. Упругие проводящие элементы 11 выполнены из циркониевой фольги толщиной 0,2-0,3 мм. Упругие элементы 11 прикреплены к секциям 10 путем пайки или точечной электросварки. Длина трубки - ударника 3 равна длине катушки индуктивности 1 и составляет 350 мм.

Электромеханический преобразователь (фиг.1) присоединяется к передающему коаксиальному кабелю следующим образом: на конце коаксиального кабеля монтируется специальный переходник и токоподвод 4 электромеханического преобразователя через цангу 5 соединяется с жилой кабеля, а наружный корпус 6 - с оплеткой кабеля. При этом генератор импульсных токов может располагаться на поверхности земли вблизи устья скважины.

Работает предлагаемое устройство следующим образом. Вначале электромеханический преобразователь на коаксиальном кабеле опускается в скважину на заданную глубину. Затем генератор импульсных токов заряжается до требуемого уровня напряжения и по команде разряжается на электромеханический преобразователь. Высокое напряжение генератора импульсных токов через коаксиальный кабель прикладывается к центральному токоподводу 4 и корпусу 6 преобразователя, а от них - к катушке индуктивности 1. В катушке индуктивности 1 возникает импульс электрического тока, внутри катушки индуктивности 1 и между катушкой индуктивности 1 и металлической трубкой - ударником 3 возникает импульсное магнитное поле. Вследствие закона электромагнитной индукции в трубке - ударнике 3 возникают вихревые токи обратного, чем в катушке 1, направления. Первичные ампер - витки в катушке индуктивности 1 и вторичный «лист» тока в трубке - ударнике 3 взаимодействуют друг с другом через магнитное поле взаимоиндукции и отталкиваются друг от друга. Сила отталкивания F=µ₀·(nI₁)²*(R/s)²*(R/s), где µ₀ - магнитная постоянная; n - число витков в катушке; I₁ - ток в катушке; R - радиус катушки; s - величина зазора между катушкой и трубкой - ударником. Под действием давления магнитного поля трубка - ударник 3 практически без сопротивления расширяется (металл в секциях 10 трубки не испытывает растягивающих напряжений, так как секции трубки соединены друг с другом упругими элементами 11 и трубка ведет себя как металлический «браслет») и посылает механический импульс в скважинную жидкость и далее в обсадную колонну и окружающие ее горные породы. После разряда генератора импульсных токов магнитное поле в катушке 1 спадает и металлическая трубка - ударник 3 возвращается к первоначальному диаметру. Механическая нагрузка на скважинную жидкость, обсадную колонну и горные породы спадает до нуля.

Авторами для глубинного устройства для возбуждения упругих колебаний в скважинах (с рабочим напряжением 30 кВ и энергоемкостью до 5 кДж) был рассчитан и спроектирован электромеханический преобразователь с вышеизложенными отличительными признаками и конструктивными данными (см. формулу и фиг.1 и 2). Результаты расчетов показали (см. таблицу на фиг.3), что разрядный ток в катушке индуктивности может достигать 27 кА, а к.п.д. электромеханического преобразователя - 36-41%. Соответственно, в механическую энергию трубки-ударника может перейти от 363 до 409 Дж из каждых запасенных аппаратом 1000 Дж электрической энергии. Длительность механического импульса составляет 5,3 мс. С учетом присоединенной массы скважинной жидкости (электромеханический преобразователь работает в практически несжимаемой и практически бесконечной по размерам среде) секции трубки-ударника при разряде сместятся не более чем на 1,5 мм. Разрыва упругих элементов между сегментами трубки-лайнера при этом не должно наблюдаться.

Таким образом, заявляемое устройство имеет большую механическую прочность и надежность, а также обеспечивает увеличение амплитуды и мощности сейсмического импульса и дальности сейсмопросвечивания. Для возбуждения упругих волн может применяться для межскважинного сейсмопросвечивания на нефтяных и газовых месторождениях, а также для декольматации фильтров нефтяных и водозаборных скважин.

Устройство для возбуждения упругих волн в скважинах, содержащее генератор импульсов тока, коаксиальный кабель и электромеханический преобразователь в виде катушки индуктивности, установленной на цилиндрическом каркасе из электроизоляционного материала, и металлического ударника, отличающееся тем, что катушка индуктивности намотана на каркасе соосно ему, а металлический ударник выполнен в виде трубки, коаксиально размещенной снаружи катушки индуктивности и разделенной вдоль образующей на несколько секций, соединенных между собой упругими элементами.