Патент на изобретение №2319004

(54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ЗОНД ДЛЯ НЕФТЕГАЗОВОЙ СКВАЖИНЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительному зонду, в частности для нефтегазовых скважин. Техническим результатом является создание измерительного зонда, конструктивные характеристики которого позволяют ему проходить сужения или другие элементы, нарушающие форму прохода, в котором выполняют измерения. Для этого зонд содержит основной корпус, направленный вниз рычаг и направленный вверх рычаг. Причем по меньшей мере на одном из рычагов закреплено измерительное средство для определения характеристик флюида, протекающего в скважине. При этом направленные вниз и вверх рычаги соединены с основным корпусом посредством первого и второго скользящих поворотных звеньев, соответственно, с первым и вторым концами прижимного башмака через первое и второе поворотные звенья соответственно. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Область техники

Настоящее изобретение относится к измерительному зонду, в частности для нефтегазовых скважин. Изобретение может быть использовано в качестве измерительного зонда для углеводородной (нефтегазовой) скважины, которая является горизонтальной или сильно наклоненной.

Предшествующий уровень техники

Для исследований и диагностики углеводородных (нефтегазовых) скважин, которые находятся в эксплуатации, желательно собрать определенный массив данных, в основном, физических данных. По существу эти данные касаются многофазного флюида, протекающего в скважине (массовый расход, соотношение разных фаз, температура, давление). Данные могут также относиться к определенным характеристикам скважины, а именно овализация, наклон.

Данные, представляющие особую важность для оператора, касаются среднего массового расхода и соотношения разных фаз, присутствующих в многофазном флюиде. Чтобы собрать эти данные, необходимо разместить датчики по скважине для анализа состава флюидов, а также их скоростей. Такие датчики (оптические или электрические) обычно размещаются на рычагах, поворачивающихся между закрытым положением в основном корпусе и открытым положением, в котором рычаги выступают поперек потока. Узел, образованный поворотными рычагами и основным корпусом, называют «зондом». Затем выполняют измерения путем опускания и подъема зонда в скважине.

Измерения, выполняемые в выходящем потоке, можно выполнять в скважинах, когда инструмент вступает в непосредственный контакт с геологической формацией, или в скважинах, у которых стенки покрыты обсадными трубами, прикрепленными к стенкам. Во всех случаях можно обнаружить уменьшение диаметра скважины, т.е. сужения, что обусловлено наличием эксплуатационных элементов или, в необсаженных скважинах, разрушение стенок скважины. При этом возникают очевидные проблемы, связанные с прочностью зонда. Конфигурация зонда и, в частности, открывающий/закрывающий механизм для качающихся рычагов и для их размещения в основном корпусе должны обеспечивать прохождение зондов через упомянутые сужения без повреждения (слома, изгиба), причем как при опускании зонда в скважину, так и при подъеме зонда. Проблема аналогичного типа возникает также, когда коэффициент трения поворотных рычагов по стенкам скважины становится слишком большим, в частности, в необсаженных скважинах, это может также помешать продвижению зонда вдоль скважины.

Предложены различные решения, в частности, для вертикальных скважин. В данном случае легче предложить механизм, который является прочным и надежным, поскольку скважины обычно обсажены (меньше проблем, обусловленных коэффициентом трения) и фазы выходящего потока естественно хорошо перемешаны (ограничения, связанные с возмущением потока рычажным механизмом, являются менее значимыми). Например, зонд можно разместить по центру скважины, и его можно оборудовать пружинящими пластинами, которые, при деформировании, позволяют зонду проходить сужения без риска заклинивания, как указано в патенте США №5661237. Кроме того, для вертикальной скважины проще разработать распределение датчиков вдоль скважины и их число, поскольку фазы флюида достаточно перемешаны. Поэтому скорость выходящего потока можно измерить с использованием одного датчика, измерения которого будут слабо нарушаться пружинящими пластинами и рычагами зонда, которые, при размещении поперек скважины, перегораживают часть прохода.

В скважинах, которые являются горизонтальными или сильно наклонными, характеристики течения выходящего потока существенно изменяются, и составляющие его флюиды разделяются (в зависимости от их плотностей) настолько, что перемещаются с различными скоростями, которые могут быть очень малыми (несколько сантиметров в секунду), или даже иметь противоположные направления. Кроме того, обычно большинство таких скважин не обсажены, и зонд вступает в контакт с породой, образующей стенку скважины, при высоком риске наличия сужений вследствие разрушения участков скважины и зон с высокими коэффициентами трения. Поэтому при наличии упомянутых характеристик поток будет сильнее нарушаться при наличии зонда, что делает невозможным использование пружинящих пластин. Наконец, в скважине упомянутого типа, чтобы удерживать собственный вес инструмента, потребовались бы пружинящие пластины слишком большого размера, что делает их совершенно бесполезными.

Поэтому предложены другие решения, чтобы закрыть рычаги зонда, например, раскрытые в патенте Великобритании №GB 2294074. В указанных решениях предлагается использовать поворотное звено между рычагами и корпусом зонда для их закрытия в случае сужения или препятствия. Это решение не является удовлетворительным, поскольку, в данных условиях, не предусмотрен механизм, препятствующий повороту заклиненного рычага в направлении, противоположном направлению закрытия. Поскольку инструмент будет продолжать движение вниз или вверх по скважине, это вызовет заклинивание и последующий изгиб рычага с вытекающим повреждением зонда. В этом случае необходимо приостановить измерения, чтобы отремонтировать инструмент или заменить его, что требует больших затрат.

Краткое изложение существа изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является создание измерительного зонда, конструктивные характеристики которого позволяют ему проходить сужения или другие элементы, нарушающие форму прохода, в котором выполняют измерения, причем при опускании в скважину и при подъеме обеспечивают сведение к минимуму риска повреждения зонда и транспортируемых им датчиков.

Для решения поставленной задачи согласно изобретению предлагается измерительный зонд для углеводородной (нефтегазовой) скважины, содержащий основной корпус, направленный вниз рычаг и направленный вверх рычаг, причем по меньшей мере на одном из рычагов закреплено измерительное средство для определения характеристик флюида, протекающего в скважине, указанный зонд характеризуется тем, что направленные вниз и вверх рычаги соединены с основным корпусом посредством первого и второго скользящих поворотных звеньев, соответственно.

Указанный признак, т.е. наличие открывающего/закрывающего механизма зонда, обеспечивает складывание рычага соответственно каждый раз, когда зонд проходит сужение, или когда один из рычагов заклинивается, если коэффициент трения по стенке скважины становится слишком большим. Два скользящих поворотных звена позволяют рычагу, который сталкивается с препятствием, занимать положение, которое обеспечивает закрытие зонда вместо заклинивания или изгиба рычага, что может происходить в известных зондах, в которых механизм закрытия рычага приводится в действие только поворотными звеньями.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения направленные вниз и вверх рычаги соединены с первым и вторым концами прижимного башмака соответственно через первое и второе поворотные звенья.

Таким образом, направленный вниз рычаг, направленный вверх рычаг и прижимной башмак образуют узел, который может скользить относительно основного корпуса. Прижимной башмак позволяет упростить и усилить конструкцию упомянутого подузла. Следовательно, рычаги проходят через флюид, характеристики которого следует определить между основным корпусом и прижимным башмаком, при этом основной корпус и прижимной башмак размещены диаметрально противоположно друг другу в скважине.

В предпочтительном варианте осуществления зонд содержит вспомогательный рычаг, присоединенный, во-первых, к основному корпусу через третье поворотное звено и, во-вторых, к прижимному башмаку через третье скользящее поворотное звено.

Полезно использовать вспомогательный рычаг, если зонд требуется оборудовать оптическими датчиками. Оптические волокна не могут растягиваться и очень плохо выдерживают вытягивание. Следовательно, благодаря соединению вспомогательного рычага с основным корпусом и прижимным башмаком вспомогательный рычаг не может скользить относительно основного корпуса, поэтому волокно никогда не будет подвергаться вытягиванию.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения вспомогательный рычаг образован двумя параллельными пластинами, и/или направленный вниз рычаг и/или направленный вверх рычаг образованы двумя параллельными пластинами, соединенными между собой перемычками. Это позволяет выполнять несколько функций. Во-первых, применение пластин позволяет придавать рычагу форму, которая минимизирует возмущение потока флюида, протекающего в проходе. Это особенно важно при использовании зонда в наклонной или горизонтальной углеводородной (нефтегазоносной) скважине, так как разные фазы выходящего потока разделены и могут перемещаться с разными скоростями, вследствие чего недопустимо вносить возмущение в поток, если требуется делать замеры, которые достоверны при определенной скорости флюида. Наличие перемычек между пластинами обеспечивает жесткость узла.

Измерительные средства предпочтительно встроены в рычаги, т.е. в пластины, в частности, в местах расположения перемычек, что позволяет также защитить упомянутые измерительные средства, в частности, от столкновений с формацией скважины.

Предпочтительно задний рычаг и/или передний рычаг соединен(ы) с модулем электропривода, обеспечивающим управление их перемещением относительно основного корпуса, причем упомянутый электропривод можно отключать. Использование электропривода позволяет с поверхности управлять открытием и закрытием рычагов зонда. Благодаря данному признаку можно обеспечить защиту датчиков при опускании зонда в нефтегазовую скважину до зоны, в которой следует выполнить измерения. Поэтому можно также открывать и закрывать зонд при проведении измерений, чтобы обеспечить защиту всех измерительных средств, распределенных по рычагу, поперек диаметра прохода, и, тем самым, повысить точность измерений. В предпочтительном варианте соединение между модулем электропривода и задним и/или передним рычагами является разъемным. При этом узел зонда легче транспортировать не только потому, что инструмент становится более компактным, но также потому, что модуль электропривода является более прочным, чем сам зонд, поэтому защитные устройства требуется обеспечивать только для прикрытия зонда.

Краткое описание чертежей

Другие преимущества и признаки настоящего изобретения очевидны из нижеследующего описания, приведенного со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схему инструмента согласно изобретению;

фиг.2a-2d – схематические изображения различных положений, занимаемых рычагами зонда, согласно изобретению;

фиг.3a-3d – схемы перемещений рычагов зонда при встрече с препятствием, когда зонд опускают в скважину, согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Зонд 1 (фиг.1) содержит основной корпус 2 и различные поворотные рычаги. Настоящий зонд предназначен для сбора данных, характеризующих скорость выходящего потока в нефтегазовой скважине, в частности в скважине, которая является наклонной или горизонтальной. Модуль, образованный корпусом зонда и рычагами, соединен, например, с группой других измерительных модулей (не показаны), которые используются для выполнения в скважине измерений другого типа, например для измерения температуры, давления и т.д. В предпочтительном варианте осуществления изобретения на корпусе зонда и на поворотных рычагах размещены измерительные средства, например средства для измерения соотношения фаз в многофазных потоках и скорости выходящего потока, протекающего в скважине. Предпочтительно замеры осуществляют как при опускании в скважину, так и при подъеме из скважины. Как показано на чертеже, зонд занимает смещенное от центра положение в скважине, т.е. основной корпус 2 опирается на стенку скважины, и когда рычаги зонда находятся в открытом положении, они проходят в диаметральном направлении от корпуса. Таким образом, расположение элементов зонда позволяет минимизировать возмущение потока флюида в скважине и, тем самым, ограничить риски погрешности измерений.

В описываемом варианте осуществления направленный вниз первый рычаг 3 проходит от основного корпуса к первому концу B прижимного башмака 4. Первый рычаг 3 присоединен к основному корпусу через поворотное звено в точке B на прижимном башмаке 4 и через первое скользящее звено, соединенное с поворотным звеном, образует скользящий шарнир в точке A. Этот скользящий шарнир позволяет заднему рычагу 3 перемещаться между открытым положением, соответствующим выходу через проход, по которому проходит поток флюида, характеристики которого следует определить, и закрытым положением, в котором направленный вниз рычаг 3 расположен напротив основного корпуса 2, как подробно пояснено ниже.

Направленный вверх второй рычаг 5, расположенный дальше от поверхности, чем направленный вниз рычаг 3, проходит от основного корпуса 2 ко второму концу D прижимного башмака 4. Рычаг 5 присоединен к основному корпусу через второе скользящее поворотное звено в точке E и через поворотное звено к точке D на прижимном башмаке 4. Поэтому рычаг 5 может перемещаться аналогично рычагу 3 между открытым положением и закрытым положением. В предпочтительном варианте рычаг 5 содержит устройства 6 для измерения скоростей различных фаз флюида, эти устройства распределены вдоль всего переднего рычага, чтобы замерять скорость каждой из фаз, когда фазы разделены. Можно также удвоить число датчиков на конце рычага, чтобы повысить достоверность измерений в вышерасположенном участке прохода или скважины. Как показано на чертеже, можно также расположить устройство измерения скорости непосредственно на основном корпусе 2 зонда. В описываемом варианте осуществления устройства измерения скорости являются миниатюрными пропеллерами, называемыми также минивертушками.

Амплитуда скольжения, которую могут совершать рычаги 3 и 5 как вверх, так и вниз относительно основного корпуса, определяется упорами, расположенными на основном корпусе (не показаны). Каждое поворотное звено B и D также содержит упор (не показан), чтобы ограничивать поворот рычагов относительно прижимного башмака. В предпочтительном варианте, чтобы исключить любой риск изгиба рычагов, рычаги могут, самое большее, занимать положение, в котором они находятся на одной прямой с прижимным башмаком 4 (фиг.3c).

В описываемом варианте осуществления зонд согласно изобретению содержит вспомогательный рычаг 7, проходящий между основным корпусом и прижимным башмаком 4 и расположенный между рычагами 3, 5. Вспомогательный рычаг соединен через поворотное звено с точкой F на основном корпусе и через скользящее поворотное звено с точкой C на прижимном башмаке. Таким образом, вспомогательный рычаг не может скользить относительно корпуса зонда, что позволяет размещать на нем оптические датчики 8, которые особенно подходят для определения соотношения между жидкими и газообразными фазами выходящего потока, протекающего по скважине и обычно содержащего три фазы: нефть, воду и газ. Оптические волокна, присоединенные к оптическим датчикам, не могут увеличивать длину, поэтому очень важно предотвратить любое осевое смещение рычага, несущего упомянутые датчики, чтобы исключить повреждение волокон. Целесообразно также удваивать число датчиков на верхнем участке вспомогательного рычага, чтобы повысить достоверность измерений в расположенном выше участке прохода.

В предпочтительном варианте рычаги 3, 5 образованы параллельными пластинами, соединенными между собой перемычками. Тогда измерительные средства (например, датчики скорости или электрические датчики) предпочтительно установлены под перемычками, чтобы обеспечить защиту от стенок геологической формации. Перемычки дают также еще одно преимущество: они усиливают жесткость рычагов и, тем самым, увеличивают срок службы зонда согласно изобретению. И, наконец, обтекаемая форма пластин минимизирует возмущение потока флюида, характеристики которого следует определить. Обычно внешняя форма пластин, образующих направленные вниз и вверх рычаги, и их размеры таковы, что в полностью закрытом положении узел, содержащий направленный вверх рычаг, направленный вниз рычаг, прижимной башмак и вспомогательный рычаг, если таковой имеется, полностью входят в общий контур основного корпуса 2. Таким образом, в закрытом положении зонд согласно изобретению имеет, по существу, цилиндрическую форму, что обеспечивает его легкое перемещение в проходе или в скважине.

Аналогично, как для направленных вверх и вниз рычагов, вспомогательный рычаг целесообразно выполнять в виде двух параллельных пластин. По соображениям компактности и возможности закрывать зонд данные пластины должны быть миниатюрнее, чем направленные вверх и вниз рычаги, чтобы вспомогательный рычаг мог входить внутрь направленного вверх рычага и целиком помещаться в нем в закрытом положении. Таким образом, если на вспомогательном рычаге установлены электрические или оптические датчики, то их целесообразнее размещать под перемычками направленного вниз рычага, чтобы обеспечить защиту от геологической формации.

Как показано на чертеже, зонд согласно изобретению может содержать модуль 9 электропривода. В предпочтительном варианте выполнения модуль электропривода можно отсоединять. Это позволяет отделять электропривод от зонда, чтобы облегчить процесс его перемещения. Кроме того, модуль электропривода можно также отключать, чтобы управлять открытием или закрытием зонда с поверхности, что может быть особенно полезно для исключения повреждения зонда, когда его опускают в скважину к зоне, характеристики которой следует определить. Указанный модуль дает также возможность открывать и закрывать направленные вверх и вниз рычаги последовательно, чтобы они сканировали по всему диаметру прохода или скважины при осуществлении замеров, и тем самым уточнять получаемые результаты. После достижения зоны измерения модуль отключают, когда требуется опустить и поднять зонд в скважине или проходе, рычаги при этом остаются свободными для складывания при столкновении с препятствием.

На фиг.2a-2d показаны различные положения, которые могут занимать рычаги зонда. На фиг.2a показан зонд в максимально открытом положении. Скользящие шарниры в точках A и E направленных вниз и вверх рычагов упираются в основной корпус, а поворотные звенья B и D и поворот рычагов посредством скользящих шарниров позволяют зонду складываться без опасности заклинивания при встрече с сужением.

На фиг.2b показан зонд в промежуточном открытом положении, в котором узел, содержащий направленный вниз рычаг, направленный вниз рычаг и прижимной башмак, может скользить в точках A и E относительно основного корпуса, при этом звенья B и D между рычагами и прижимным башмаком позволяют рычагам складываться. На фиг.2c и 2d показан зонд в двух случаях полностью закрытого положения. В этом случае узел, содержащий направленный вниз рычаг, направленный вверх рычаг, прижимной башмак и вспомогательный рычаг, если таковой имеется, находятся, по существу, заподлицо с внешним диаметром основного корпуса. На фиг.2c направленные вниз и вверх рычаги могут скользить относительно основного корпуса посредством скользящего шарнира в точке E в направлении к поверхности, указанном стрелкой f. Затем направленный вниз рычаг поворачивается в точках B и A. В примере на фиг.2d направленные вверх и вниз рычаги еще могут скользить относительно основного корпуса благодаря скользящему шарниру в A, в данном случае, в направлении вглубь скважины, как показано стрелкой F. Затем направленный вверх рычаг поворачивается относительно точек D и E. Во всех приведенных примерах вспомогательный рычаг следует перемещениям направленных вниз и вверх рычагов благодаря скользящему шарниру в C и шарниру в F.

На фиг.3a-3d приведены схемы последовательных положений, занимаемых зондом при движении вниз через сужение в проходе или скважине, которая не обсажена.

До встречи с сужением 10 направленные вниз и вверх рычаги могут свободно перемещаться вдоль звеньев A и E относительно основного корпуса. Когда направленный вверх рычаг 5 достигает сужения, узел, содержащий направленный вверх рычаг 5, направленный вниз рычаг 3 и прижимной башмак 4, сдвигается, пока не доходит до упора, таким образом, что у рычага 5 действует только поворотное звено в E (фиг.3b). В этот момент направленный вверх рычаг 5 начинает складываться вниз, пока прижимной башмак 4 и упомянутый рычаг не установятся по одной линии (фиг.3c). Звенья между прижимным башмаком 4 и рычагами 3, 5 (точки B и D) снабжены упорами (не показаны), которые позволяют прижимному башмаку 4 устанавливаться по одной линии с рычагами 3, 5 при прохождении сужений, чтобы облегчить закрытие зонда. Поэтому, поскольку инструмент продолжает двигаться вперед (наземный механизм управляет движением зонда вниз и вверх в скважине), зонд закрывается, чтобы миновать сужение 10 (фиг.3d) за счет того, что направленный вверх рычаг скользит в скользящем поворотном звене (точка A) и поворачивается в точке B. При прохождении сужения, когда зонд поднимают в проходе или скважине, перемещения происходят идентично, но симметрично перемещениям, описанным выше со ссылкой на фиг.3a-3d.

В зоне с высоким коэффициентом трения (в частности, в необсаженной скважине), зонд согласно изобретению работает аналогично, за исключением того, что на этот раз заклинивается прижимной башмак 4, например, геологической формацией, при этом узел, содержащий направленные вниз и вверх рычаги и прижимной башмак, скользит, пока не достигает одного из двух упоров на скользящих шарнирах A и E, после чего перемещение рычагов происходит идентично или симметрично перемещению, описанному со ссылкой на фиг.3a-3d.

Ясно, что перемещения рычагов зонда согласно изобретению позволяют избежать риска заклинивания рычагов, когда они проходят сужения, причем это обеспечивается комбинацией двух шарниров A и E, скользящих относительно основного корпуса. Кроме того, благодаря скользящему звену на прижимном башмаке и поворотному звену на основном корпусе, перемещение вспомогательного рычага является таким, что кабели (в частности, оптические кабели), подключающие измерительные средства, распределенные на рычаге, не перекручиваются или не растягиваются.

Формула изобретения

1. Измерительный зонд для углеводородной (нефтегазовой) скважины, содержащий основной корпус, направленный вниз рычаг и направленный вверх рычаг, причем по меньшей мере на одном из рычагов закреплено измерительное средство для определения характеристик флюида, протекающего в скважине, отличающийся тем, что направленные вниз и вверх рычаги соединены с основным корпусом посредством первого и второго скользящих поворотных звеньев (А и Е) соответственно с первым и вторым концами прижимного башмака через первое и второе поворотные звенья (В и D) соответственно.

2. Измерительный зонд по п.1, отличающийся тем, что поворот направленных вниз и вверх рычагов относительно прижимного башмака ограничен присутствием упоров на первом и втором поворотных звеньях.

3. Измерительный зонд п.1, отличающийся тем, что содержит вспомогательный рычаг, присоединенный к основному корпусу через третье поворотное звено (F) и к прижимному башмаку через третье скользящее поворотное звено (С).

4. Измерительный зонд по п.3, отличающийся тем, что вспомогательный рычаг содержит оптическое измерительное средство.

5. Измерительный зонд по п.3, отличающийся тем, что вспомогательный рычаг образован двумя параллельными пластинами.

6. Измерительный зонд по п.3, отличающийся тем, что вспомогательный рычаг может вмещаться в направленный вниз рычаг.

7. Измерительный зонд по п.1, отличающийся тем, что направленный вниз рычаг и/или направленный вверх рычаг образован(ы) параллельными пластинами, соединенными друг с другом перемычками.

8. Измерительный зонд по п.1, отличающийся тем, что ось основного корпуса смещена относительно оси скважины.

9. Измерительный зонд по п.1, отличающийся тем, что направленные вниз и вверх рычаги установлены с возможностью поворота относительно основного корпуса в закрытое положение, в котором рычаги вмещаются в основной корпус, и в открытое положение, в котором рычаги проходят поперек потока, протекающего вдоль скважины.

10. Измерительный зонд по п.1, отличающийся тем, что направленный вниз рычаг и/или направленный вверх рычаг соединен(ы) с модулем электропривода, позволяющего управлять перемещением рычага относительно основного корпуса, причем модуль электропривода можно отключать.

11. Измерительный зонд по п.10, отличающийся тем, что соединение между модулем электропривода и направленными вниз и/или вверх рычагами является разъемным.

12. Измерительный зонд по п.1, отличающийся тем, что направленный вверх рычаг содержит измерительное средство для измерения скорости флюида, протекающего в скважине.

РИСУНКИ