Прибор для исследования скважин

Прибор для исследования скважин

Реферат

 

Изобретение относится к бурению и может быть использовано в приборах-зондах, опускаемых в скважины, и особенно в высокотемпературные скважины. Для повышения надежности и эффективности контроля скважин, расширения, функциональной границы прибора без использования дополнительных датчиков, блок термозащиты измерительного модуля выполнен в виде вентилятора, теплообменника, термоклапанов и кожуха с отверстиями, при этом измерительный модуль, вентилятор и теплообменник установлены внутри кожуха, термоклапаны установлены напротив отверстий со стороны наружной поверхности кожуха, а кожух размещен внутри охранного корпуса с зазором относительно него. При этом кожух выполнен с двойными стенками, а пространство между ними может быть вакуумировано или заполнено материалом с низкой теплопроводностью. Термоклапаны выполнены в виде сильфонов, заполненных жидкостью с температурой кипения не более 100^oС, а теплообменник заполнен сплавом, переходящим из одного агрегатного состояния в другое при температуре 100 - 120^oС. 5 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к бурению, геологоразведке и промысловой геофизике и может быть использовано в приборах-зондах, опускаемых в скважины, с высокой температурой, выше, чем 100-120^оС.

Известен ряд скважинных приборов-зондов, например, типа NWD (проспект фирмы "Sperry-Sun"), скважинных приборов системы "Maxis 500" проспект фирмы "Schlamberger Technology Corp"), а также отечественное скважинное оборудование: акустического каротажа АКН-1, нейтронного каротажа НК-1, НК-2, НК-3, инклинометры типа ИМ-1, Мир-36, ИГ-36, ИН1-721 и другие.

Все это оборудование помимо различных особенностей изготовления и эксплуатации имеет некоторые общие конструктивные черты, среди которых наличие аппаратурной части или измерительного модуля и охранного металлического корпуса стандартных размеров по диаметру, предохраняющего измерительный модуль от механических и гидродинамических воздействий при работе в скважине. Измерительный модуль в скважине работает при температуре окружающей среды, которая устанавливается в нем за счет теплопередачи от охранного корпуса через конструктивные элементы и газовую среду или жидкостную среду, заполняющую полость охранного корпуса, что снижает его температурные возможности при использовании в среде повышенных температур.

Известен прибор для исследования скважин, содержащий охранный корпус, измерительный модуль и блок термозащиты измерительного модуля [2] Известно, что электронная часть измерительного модуля таких приборов и в особенности имеющая полупроводниковые радиоэлементы, имеет гарантию работоспособности при температурах не выше 100-120^оС. Обычно этот предел определяет границу работоспособности по температуре не только прототипа, но и огромного числа других скважинных приборов различного назначения. Потребность в бурении и проведении исследований в глубоких скважинах с температурами в забоях, достигающими 200 300^оС, приводит к невозможности эксплуатации данных приборов в скважинах при температурах выше 100-120^оС.

Обеспечение работы измерительного модуля прибора для исследования скважин при температурах выше 100-120^оС позволит повысить надежность и эффективность контроля скважин, расширить функциональные границы прибора без использования дополнительных специальных датчиков, какой-либо электронной исполнительной или регулирующей аппаратуры, которая была бы связана с функционированием системы тепловой защиты прибора.

Решение указанной задачи осуществляется с помощью прибора для исследования скважин, содержащего охранный корпус, измерительный модуль и блок термозащиты измерительного модуля.

Отличие состоит в том, что блок термозащиты измерительного модуля выполнен в виде вентилятора, теплообменника, термоклапанов и кожуха с отверстиями, при этом измерительный модуль, вентилятор и теплообменник установлены внутри кожуха, термоклапаны установлены напротив отверстий со стороны наружной поверхности кожуха, а кожух размещен внутри охранного корпуса с зазором относительно него и выполнен с двойными стенками, пространство между которыми вакуумировано или заполнено материалом с низкой теплопроводностью, причем термоклапаны выполнены в виде сильфонов, заполненных жидкостью с температурой кипения не более 100^оС, а теплообменник заполнен сплавом, переходящим из одного агрегатного состояния в другое при температуре 100 120^оС.

В приборе кожух расположен между охранным корпусом и измерительным модулем и выполнен с двойными стенками, причем вентилятор и теплообменник выполнены конструктивно заодно с измерительным модулем, так что при работе вентилятора обеспечивается создание потока газовой среды из измерительного модуля через теплообменник. Два клапана выполнены в виде исполнительной части и сильфона, заполненного жидкостью с температурой кипения близкой или равной 100^оС и расположенных у верхнего и нижнего отверстия кожуха так, что сильфонная часть клапана находится за пределами кожуха в полости охранного корпуса, причем клапаны конструктивно в приборе выполняются так, что при температуре газовой среды ниже точки кипения жидкости в сильфонах имеется связь полости кожуха с полостью охранного корпуса, так что формируется внешний контур циркуляции газовой среды: измерительный модуль, теплообменник, верхнее отверстие кожуха, стенка охранного корпуса, нижнее отверстие кожуха, измерительный модуль, а при температуре газовой среды выше точки кипения жидкости в сильфонах, когда жидкость в сильфонах перейдет в газообразное состояние и тем самым обеспечится срабатывание клапанов, полость кожуха изолируется от полости охранного корпуса и формируется внутренний контур потока газовой среды; измерительный модуль, теплообменник, внутренняя стенка кожуха, измерительный модуль.

В качестве материала для теплообменника, переходящего из одного агрегатного состояния в другое при температурах близких к 100-120^оС предлагается использовать сплавы на основе, например, висмута. Так сплав типа Розе с температурой плавления 110^оС имеет в своем составе в процентном отношении следующие компоненты: Bi 50% Pb 28% Sn 22% Применение такого материала для теплообменника обусловлено требованиями на повышенную теплоемкость материала и ограничениями на размеры теплообменника.

Главная задача теплообменника поддерживать температуру в полости кожуха после срабатывания клапанов на уровне 100-120^оС, т.е. при температуре окружающей среды выше 100 120^оС. Это обеспечивается тем, что излишняя тепловая энергия от измерительного модуля и небольшая ее часть, получаемая за счет теплопередачи через кожух расходуется на работу, связанную с переходом материала в теплообменнике из одного агрегатного состояния в другое.

В клапанах применены сильфоны, герметично заполненные жидкостью с температурой кипения, близкой или равной 100^оС. В качестве такой жидкости можно использовать, например, воду. Объем жидкости и материал для изготовления сильфона следует выбирать, исходя из соображений надежности работы клапана при высоких температурах окружающей среды. После начала кипения, за счет давления образовавшегося газа, сильфон будет растягиваться, что обеспечит срабатывание клапана. Для надежной работы клапана сильфон следует располагать за пределами кожуха. Для обеспечения теплоизолирующих свойств всей конструкции скважинного прибора зонда рабочую поверхность клапана следует отделить от внутреннего объема сильфона, куда помещается жидкость, теплоизолирующим материалом или специальной конструкцией по типу теплового экрана.

Наличие клапанов обеспечивает два потока газовой среды: до срабатывания клапанов и после. При температуре окружающей среды меньше 100-120^оС, а это наблюдается на начальном этапе спуска прибора в глубокую скважину, не рационально изолировать измерительный модуль от полости охранного корпуса кожухом, поскольку при таких температурах возможен теплоотвод во внешнюю среду и кроме этого время работы прибора будет уменьшено, поскольку после включения, основной теплоотвод будет осуществляться за счет материала в теплообменнике, емкость которого ограничена. Поэтому при температурах ниже 100-120^оС измерительный модуль не изолируется от полости охранного корпуса и обеспечивается поток газовой среды к стенке охранного корпуса, а при температурах выше 100-120^оС, после срабатывания клапанов, полость кожуха изолируется от полости охранного корпуса и обеспечивается контур потока газовой среды внутри кожуха с охлаждением в теплообменнике. Кроме этого такой подход обеспечивает хорошие эксплуатационные характеристики всего прибора снабженного кожухом. Предлагаемая конструкция дает возможность быстрого охлаждения скважинного прибора отбора тепла из теплообменника, и здесь также важно подчеркнуть, что сильфоны должны располагаться за пределами кожуха. После подъема прибора для исследования скважин его охранный корпус можно охлаждать, например, проточной водой, что приведет к охлаждению его стенок и далее газовой среды в его полости. Это в свою очередь приведет к тому, что клапаны вернутся в исходное положение и соединят тем самым полости теплового экрана и охранного корпуса, что обеспечит появление внешнего потока газовой среды и эффективное охлаждение от холодной стенки охранного корпуса. Последнее весьма важно, поскольку позволяет быстрее восстановить эксплуатационные характеристики прибора.

Длительность работы прибора при температурах выше 100-120^оС в скважине будет определяться температурой в скважине, качеством кожуха, работой вентилятора, количеством тепла, выделяемым измерительным модулем в единицу времени, теплоемкостью теплообменника и, как видно из этого перечисления, является комплексной проблемой, зависящей как от характеристик аппаратуры прибора, так и от условий эксплуатации. Время работы при температурах выше 100-120^оС окружающей среды можно определить для прибора расчетным или экспериментальным путем.

Для улучшения работы системы защиты измерительного модуля введен вентилятор. Это связано с тем, что для исследования скважин прибор может менять свою ориентацию относительно вектора ускорения силы тяжести Земли, что при различных наклонах скважины приведет к изменению скорости перемещения газового потока через теплообменник или даже к отсутствию его вообще. Кроме этого, в связи с ограничениями на размеры в радиальном направлении прибора, зазоры между стенками охранного корпуса, измерительного модуля и кожуха будут малы, а площадь сечения газового потока в них еще более уменьшена из-за наличия различных конструктивных поддерживающих и других элементов, то для обеспечения гарантированного потока газовой среды необходим вентилятор. Если в приборе использована жидкостная среда вместо газовой, то это приведет к необходимости снижения производительности вентилятора. Выбор его производительности можно сделать расчетным или экспериментальным путем.

Качество работы системы защиты можно повысить если увеличить интенсивность теплопереноса от измерительного модуля к стенке охранного корпуса или теплообменнику. Это можно сделать специальным подбором газовой среды, например, использовать для этого гелий или применить жидкостную среду, например, веретенное масло.

На фиг. изображен прибор для исследования скважин.

Скважинный прибор состоит из охранного корпуса 1, измерительного модуля 2, вентилятора 3, заполненного специальным материалом теплообменника 4, кожуха 5, верхнего клапана 6, нижнего клапана 7.

Конструкция клапанов, обеспечивая переключение газового потока с внешнего контура на внутренний, дана как пример конкретного выполнения и представляет собой два цилиндра, вставленные один в другой с окнами в боковых стенках, причем внутренний цилиндр подвижен и жестко соединен с рабочей поверхностью клапана. На фиг. дано исходное положение клапанов, до срабатывания, т. е. при температуре окружающей среды менее 100-120^о. Перемещение рабочих поверхностей клапанов при срабатывании происходит в сторону кожуха, что приводит к совмещению окон во внутреннем и внешнем цилиндрах и к образованию внутреннего контура газового потока. Рабочая поверхностью прижимается к поверхности кожуха, что приведет к изолированию полости последнего от полости охранного корпуса. Описанное положение клапанов соответствует второму статическому положению предлагаемого примера конструктивного выполнения, т.е. при температуре окружающей среды выше 100 120^оС и для простоты на фиг. не показано. Стрелками на фигуре изображено движение газового потока, причем пунктирными стрелками показано перемещение газового потока при температурах выше 100 120^оС.

Работа прибора для исследования скважин с системой защиты осуществляется следующим образом. Перед спуском прибор должен иметь температуру окружающего воздуха, либо быть охлажденным через стенки охранного корпуса. Пример методики такого охлаждения приведен выше. При начальном этапе опускания в скважину или при работе в неглубокой скважине при температурах ниже 100-120^оС клапаны 6 и 7 находятся в исходном состоянии, что обеспечивает сообщение полостей кожуха 5 и охранного корпуса 1 через верхнее и нижнее отверстия при клапанах 6 и 7. Работа вентилятора 3 обеспечивает создание потока газовой среды по внешнему контуру: измерительный модуль 2, теплообменник 4, отверстие при верхнем клапане 6, стенка охранного корпуса 1, отверстие при нижнем клапане 7, измерительный модуль 2. Отводимая с помощью газового потока тепловая энергия от работающего измерительного модуля 2 передается холодной стенке охранного корпуса 1. Проходя по зазору между стенками охранного корпуса 1 и кожуха 5 газ охлаждается, а затем охлажденный газ через отверстие при нижнем клапане 7 подается в измерительный модуль 2, где охлаждает и его аппаратуру и далее процесс повторяется.

При повышении температуры в скважине до 100^оС жидкость в сильфонах клапанов 6 и 7 закипает и давление образовавшегося газа вызывает перемещение рабочих поверхностей клапанов 6 и 7. Причем такое перемещение будет происходить плавно, по мере кипения жидкости, что приведет к плавному переключению газового потока с внешнего контура на внутренний. Поскольку температура кипения жидкости в сильфонах немного ниже предельной температуры работы измерительного модуля 2, то обеспечивается надежность работы всего прибора и, в частности, гарантируется срабатывание клапанов 6 и 7 до момента достижения предельной температуры. Плавность переключения обеспечивает благоприятные условия работы аппаратуры по механическим и тепловым воздействиям. Срабатывание клапанов 6 и 7 приводит к изолированию полости кожуха 5 от полости охранного корпуса 1. Весь внутренний объем кожуха 5, включая измерительный модуль 2, теплообменник 4, вентилятор 3, будет теперь защищен от внешнего теплового воздействия кожухом 5. Кроме этого дополнительную тепловую защиту будет обеспечивать зазор между стенками охранного корпуса 1 и кожуха 5, который можно рассматривать как дополнительный тепловой экран.

После срабатывания клапанов 6 и 7 будет обеспечено создание потока газовой среды по контуру: измерительный модуль 2, внутренняя стенка кожуха 6, измерительный модуль 2. Отводимое с помощью газового потока тепло от работающего измерительного модуля 2 передается в теплообменнике 4 заполняющему его сплаву. По мере накопления тепла сплав достигает температуры плавления после чего его температура стабилизируется на уровне 100-120^оС в зависимости от состава сплава, а подводимое к нему тепло будет расходоваться на работу, связанную с переходом сплава из одного агрегатного состояния в другое, т.е. в данном случае на плавление. Газ, проходя через теплообменник 4 и отдавая тепловую энергию, охлаждается и затем охлажденный поступает в измерительный модуль 2, где охлаждает его аппаратуру и далее процесс повторяется.

Формула изобретения

1. ПРИБОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН, содержащий охранный корпус, измерительный модуль и блок термозащиты измерительного модуля, отличающийся тем, что блок термозащиты измерительного модуля выполнен в виде вентилятора, теплообменника, термоклапанов и кожуха с отверстиями, при этом измерительный модуль, вентилятор и теплообменник установлены в кожухе, термоклапаны - напротив отверстий со стороны наружной поверхности кожуха, а кожух размещен в охранном корпусе с зазором относительно него.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что кожух выполнен с двойными стенками.

3. Прибор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что пространство между стенками кожуха вакуумировано.

4. Прибор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что пространство между стенками кожуха заполнено материалом с низкой теплопроводностью.

5. Прибор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что термоклапаны выполнены в виде сильфонов, заполненных жидкостью с температурой кипения не более 100^oС.

6. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что теплообменник заполнен сплавом, переходящим из одного агрегатного состояния в другое при 100 - 120^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1