RU2166779C1

RU2166779C1 - Borehole source of seismic pulses

Info

Publication number: RU2166779C1
Application number: RU2000102768A
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Кулаков; С.А. Смайлов; П.Я. Крауиньш; А.В. Иоппа; В.Ю. Калдыров
Original assignee: Томский политехнический университет
Priority date: 2000-02-03
Filing date: 2000-02-03
Publication date: 2001-05-10

Abstract

FIELD: excitation of seismic waves from boreholes. SUBSTANCE: borehole source has cable lead-in, controlled wedge clip, driving electric motor and force exciter. Force exciter comes in the form of chamber with windows in body which are shut over with the aid of ring gate, exciter is equipped with piston of reciprocating motion. Drive of travel of piston is manufactured in the form of lead screw connected via reduction gear and controlled clutch to shaft of electric motor. Windows are located in lower part of chamber. Spring- loaded gate is fixed with latch matched with armature of releasing electromagnet. Gas space is situated above piston on side opposite to working chamber. EFFECT: generation of high-power seismic pulses in direction of axis of borehole thanks to high pressure formed in controlled implosion chamber. 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для возбуждения сейсмических волн из скважин. The present invention relates to devices for exciting seismic waves from wells.

Известны скважинные источники, например патенты США N 4751688, N 5321213, МКИ G 01 V 1/00, заявка Франции N 2671297 или а.с. России N 1160343, N 1728817, G 01 V, а также патент РФ N 2107930, БИ N 9 от 27.03.98, которые содержат подвешенный на каротажном кабеле снаряд с размещенными в нем устройством прижима к стенкам скважины и силовозбудитель электромагнитного или центробежного типа, который формирует ударный импульс или длительные колебания. В снарядах с электромагнитными силовозбудителями, патент США N 4751688 или а.с. N 1160343, колебания создаются благодаря движению массы якоря посредством электромагнитной силы, возбужденной электрическим током в катушках соленоидов. Наличие прижима обеспечивает надежную передачу силовых возмущений в окружающие горные породы и необходимую направленность сейсмических волн. Однако электромагнитные поля и давления, которые разгоняют якорь, ограничены насыщением магнитопроводов примерно на уровне p ≈ 0,5 МПа. Поэтому не удается получить большую мощность удара. В сейсмических источниках с центробежным (орбитальным) вибратором и электромотором возмущающее усилие ориентировано в горизонтальной плоскости, поперек оси скважины. Недостаток их в том, что из-за ограниченных радиальных размеров скважинного снаряда трудно разместить вертикально ориентированный силовозбудитель. Well sources are known, for example, US patents N 4751688, N 5321213, MKI G 01 V 1/00, French application N 2671297 or A.S. Russia N 1160343, N 1728817, G 01 V, as well as RF patent N 2107930, BI N 9 dated 03/27/98, which contain a projectile suspended on a wireline with a device for clamping it to the walls of the well and an exciter of electromagnetic or centrifugal type, which forms a shock pulse or continuous oscillations. In shells with electromagnetic exciters, US patent N 4751688 or A. with. N 1160343, oscillations are created due to the movement of the mass of the armature by means of electromagnetic force excited by electric current in the coils of solenoids. The presence of the clamp ensures reliable transmission of force disturbances to the surrounding rocks and the necessary direction of seismic waves. However, the electromagnetic fields and pressures that accelerate the armature are limited by saturation of the magnetic circuits at about p ≈ 0.5 MPa. Therefore, it is not possible to obtain a large impact power. In seismic sources with a centrifugal (orbital) vibrator and electric motor, the disturbing force is oriented in the horizontal plane, transverse to the axis of the well. Their disadvantage is that due to the limited radial dimensions of the downhole projectile it is difficult to place a vertically oriented exciter.

В глубоких скважинах, заполненных жидкостью под давлением, нередко используют имплозионные источники, содержащие пустую камеру, полость, которая при быстром открывании, схлопываясь, создает колебания волн давления в жидкости, распространяющиеся в виде гидроволн по стволу скважины и переходящие в окружающие породы как сейсмические волны, например, патент РФ N 2133326. Здесь затвор, выполненный в виде дифференциального поршня, стопорится шариковым фиксатором и срабатывает при подъеме давления в скважине, открывая входные окна в имплозионную полость. Обладая высокой импульсной мощностью, источник не может ориентировать ударное возмущение по вертикали (вдоль оси скважины). Длительный период зарядки, связанный с необходимостью подъема снаряда на лебедке к устью скважины, является также ограничением в производительности, скорострельности. Источники с пустой камерой одноразового действия применяют для чистки перфорированной части скважины с целью усиления притока флюидов из пласта. См., например, Попов А.С. Ударные воздействия на призабойную зону скважин. М. Недра, 1990. In deep wells filled with liquid under pressure, they often use implosion sources containing an empty chamber, a cavity that, when quickly opened, collapses, creates fluctuations in pressure waves in the fluid, propagating in the form of hydraulic waves along the borehole and passing into surrounding rocks as seismic waves, for example, RF patent N 2133326. Here, the shutter, made in the form of a differential piston, is locked by a ball lock and triggers when the pressure rises in the well, opening the entrance windows to the implosion cavity. Having a high pulse power, the source cannot orient the shock disturbance vertically (along the axis of the well). The long charging period associated with the need to lift the projectile on the winch to the wellhead is also a limitation in productivity and rate of fire. Sources with a single-use empty chamber are used to clean the perforated part of the well in order to enhance the flow of fluids from the reservoir. See, for example, Popov A.S. Impact effects on the bottomhole zone of wells. M. Nedra, 1990.

Максимум интенсивности продольных волн давления от имплозионного источника направлен перпендикулярно оси скважины, что приемлемо, например, для просвечивания промежутков между скважинами. Однако, когда обследуется строение недр в окрестностях одиночной скважины (метод обращенного ВСП), то необходимо иметь источник, где ударное возмущение и, значит, максимум сейсмической освещенности направлен вдоль оси скважины. Для этого необходимо дополнять имплозионный снаряд устройством прижима к стенкам скважины и определенным образом преобразовать объемное давление в кинетическую энергию силового импульса, ориентируя его в требуемом направлении. The maximum intensity of the longitudinal pressure waves from the implosion source is directed perpendicular to the axis of the well, which is acceptable, for example, for transmission of gaps between the wells. However, when the structure of the subsoil is examined in the vicinity of a single well (reverse VSP method), it is necessary to have a source where the shock disturbance and, therefore, the maximum seismic illumination is directed along the axis of the well. To do this, it is necessary to supplement the implosion projectile with a pressure device to the walls of the well and, in a certain way, to convert the volume pressure into the kinetic energy of the power pulse, orienting it in the desired direction.

Известные скважинные сейсмические источники имеют небольшую мощность удара, поскольку она ограничена и габаритами снаряда в скважине, где трудно разместить энергоемкий силовозбудитель, и невысокой проходной мощностью каротажного кабеля, через который с поверхности подается электропитание. Поэтому предлагается использовать энергию высокого гидростатического давления, определенным образом сочетая элементы известного скважинного источника, патент РФ N 2107930, выбранного за прототип и имеющего приводной электродвигатель и управляемый клиновой прижим, а также дополнительные элементы силовозбудителя с имплозионной камерой. Known borehole seismic sources have low impact power, because it is limited by the dimensions of the projectile in the well, where it is difficult to place an energy-intensive exciter, and the low throughput power of the wireline cable through which power is supplied from the surface. Therefore, it is proposed to use the energy of high hydrostatic pressure, in a certain way combining the elements of a well-known well source, RF patent N 2107930, selected for the prototype and having a drive motor and a controlled wedge clamp, as well as additional elements of the exciter with an implosion chamber.

3адачей изобретения является достижение большей мощности сейсмического импульса в направлении оси скважины. The objective of the invention is to achieve greater seismic pulse power in the direction of the axis of the well.

Предлагается скважинный источник сейсмических импульсов, содержащий корпус, кабельный электроввод, управляемый клиновой прижим, приводной электродвигатель и силовозбудитель. A borehole source of seismic pulses is proposed, comprising a housing, a cable electric input, a controlled wedge clamp, a drive electric motor, and a power exciter.

Положительный результат достигается тем, что силовозбудитель выполнен в виде камеры с окнами в корпусе, которые перерываются посредством кольцевого затвора, и снабжен поршнем возвратно-поступательного движения, причем привод перемещения поршня выполнен в виде ходового винта, подсоединенного через редуктор и управляемую муфту к валу электродвигателя, и окна в корпусе размещены в нижней части камеры, а затвор, поджатый пружиной, зафиксирован защелкой, сопряженной с якорем спускового электромагнита, и над поршнем со стороны, противоположной рабочей камере, размещена газовая полость. A positive result is achieved by the fact that the power exciter is made in the form of a chamber with windows in the case, which are interrupted by an annular shutter, and is equipped with a reciprocating piston, and the piston displacement drive is made in the form of a lead screw connected via a gearbox and a controllable coupling to the motor shaft, and the windows in the case are located in the lower part of the chamber, and the shutter, preloaded by a spring, is fixed by a latch conjugated with the anchor of the trigger electromagnet, and above the piston from the opposite side a working chamber, a gas cavity is placed.

Высокое гидростатическое давление, присутствующее в скважине на больших глубинах, выполняет роль разгонного механизма, а в качестве ударной массы используется скважинная жидкость. The high hydrostatic pressure present in the well at great depths acts as an accelerating mechanism, and well fluid is used as the shock mass.

На чертеже изображен общий вид скважинного снаряда с разрезом в области силовозбудителя. The drawing shows a General view of the downhole projectile with a cut in the field of exciter.

Скважинный источник сейсмических импульсов содержит корпус 1, электроввод 2, сопрягаемый далее с каротажным кабелем. Цилиндрическая камера 3 имеет в корпусе окна 4, выходящие в скважину и герметично перекрываемые кольцевым затвором 5. Над поршнем со стороны, противоположной рабочей камере, размещена газовая (воздушная) полость 6. Фиксирующая затвор спусковая защелка 7 сопряжена с якорем 8 электромагнита 9, а затвор снизу поджат пружиной 10. Рабочая камера также имеет сообщение со скважиной через обратный клапан 11. В цилиндрическую камеру входит поршень 12 с винтопарой 13 на штоке, сопряженной через редуктор 14 и управляемую муфту 15 с валом электродвигателя 16. На другом конце вала электродвигателя установлена расцепляющая муфта 17 и далее редукционный узел 18 привода прижима. Прижимные клинья (шлипсы) 19, входя в зазор между стенками скважины и корпусом, способны жестко крепить, фиксировать снаряд и передавать большие вертикальные нагрузки. The borehole source of seismic pulses contains a housing 1, an electric input 2, further mated with a wireline cable. The cylindrical chamber 3 has windows 4 in the housing that open into the well and are hermetically sealed by an annular shutter 5. A gas (air) cavity 6 is placed above the piston from the side opposite to the working chamber 6. The shutter-release latch 7 locking the shutter is connected to the armature 8 of the electromagnet 9, and the shutter it is spring-loaded at the bottom 10. The working chamber also communicates with the well through a non-return valve 11. A piston 12 with a screw pair 13 on a rod coupled through a reducer 14 and controlled by a coupling 15 with an electric motor shaft 16 enters the cylindrical chamber. at the other end of the motor shaft is a trip clutch 17 and then a reduction unit 18 of the clamp drive. Clamping wedges (slips) 19, entering the gap between the walls of the borehole and the body, are able to rigidly fasten, fix the projectile and transmit large vertical loads.

В исходном состоянии, как изображено на фиг. 1, камера 3 свободна от скважинной жидкости, окна 4 герметично закрыты и корпус снаряда прижат к стенкам скважины. Далее через одну из жил каротажного кабеля подается электрическое напряжение на электромагнит 9. Якорь 8 электромагнита, срабатывая, выбивает спусковую защелку 7, удерживающую затвор 5. Отбрасываемый сжатой пружиной 10 затвор смещается вверх, открывая окна 4. Давление p_г в скважинной жидкости на глубине, например, 2-3 км велико, обычно более 20-30 МПа. Под таким напором массы жидкости устремляются в окна, разгоняются и, заполняя камеру 3, наносят удар по ее верхней, удаленной от окон части. Гидроудар сопровождается также подъемом давления. Если бы заливные окна помещались в середине камеры, то гидроудар был бы симметрирован и не создавал бы вертикального импульса силы на корпус снаряда. Благодаря использованию гидростатического давления ударный узел получается компактным и более мощным, чем, например, в электромагнитных механизмах, которые разгоняют боек довольно слабым магнитным полем: p_эм≈ B • A = 0,5 МПа. Таким образом, удар, ориентированный вдоль корпуса снаряда, передается через прижимные клинья 19 на стенки скважины, порождая в окружающих породах волновое сейсмическое возмущение.In the initial state, as shown in FIG. 1, the chamber 3 is free of the borehole fluid, the windows 4 are hermetically closed and the shell of the projectile is pressed against the walls of the borehole. Then, through one of the wires of the well-logging cable, an electric voltage is supplied to the electromagnet 9. An anchor 8 of the electromagnet, triggering, knocks the trigger latch 7 holding the shutter 5. The shutter released by the compressed spring 10 is displaced upward, opening the windows 4. Pressure p _g in the well fluid at a depth of for example, 2-3 km is large, usually more than 20-30 MPa. Under such pressure, the masses of liquid rush into the windows, accelerate and, filling the chamber 3, strike at its upper part, remote from the windows. Water hammer is also accompanied by a rise in pressure. If filler windows were placed in the middle of the chamber, then the hydroblow would be symmetrical and would not create a vertical impulse of force on the shell of the projectile. Thanks to the use of hydrostatic pressure, the shock assembly is compact and more powerful than, for example, in electromagnetic mechanisms that accelerate the firing pin with a rather weak magnetic field: p _em ≈ B • A = 0.5 MPa. Thus, the impact, oriented along the shell of the projectile, is transmitted through the clamping wedges 19 to the walls of the well, causing wave seismic disturbance in the surrounding rocks.

Прижимные клинья 19 вытягиваются из зазора при включении электродвигателя 16 и расцепляющей муфты 17. После возбуждения удара прижим освобождается и снаряд посредством каротажного подъемника перемещают по стволу на следующий пикет. Далее с целью подготовки (зарядки) источника необходимо вытеснить из камеры 3 скважинную жидкость, герметично закрыть окна 4 затвором 5, фиксируя его защелкой 7, и переместить поршень в исходное верхнее положение. Поэтому включают двигатель 16 и муфту 15, при этом поршень 12 с винтопарой 13 на штоке перемещается вниз, вытесняя жидкость в скважину через открытые окна 4. Сверху поршень подпирает воздух под давлением, находящийся в изолированной полости 6. Это частично уравновешивает гидростатическое давление, действующее на поршень снизу. В результате усилие на перемещение поршня и максимальная мощность двигателя 16 могут быть снижены. В этой фазе буртик поршня двигает затвор 5, закрывающий окна. При перекрытии окон остаток жидкости выдавится через обратный клапан 11, затвор поджимает пружину 10 и фиксируется на упор защелки 7. Двигатель реверсируют, и он возвращает поршень вверх, рабочая камера при этом - пуста. Снаряд зажимают в скважине управляемым клиновым прижимом, и он готов к разряду. Командный сигнал на разряд подается на катушку электромагнита 9, и далее операции отжима, зарядки и подготовки источника могут повторяться многократно. The clamping wedges 19 are pulled out of the gap when the electric motor 16 and the trip clutch 17 are turned on. After the shock is excited, the clamp is released and the projectile is moved along the trunk to the next picket using a logging hoist. Further, in order to prepare (charge) the source, it is necessary to displace the well fluid from the chamber 3, hermetically close the windows 4 with the shutter 5, fixing it with the latch 7, and move the piston to its original upper position. Therefore, the engine 16 and the clutch 15 are turned on, while the piston 12 with the screw pair 13 on the rod moves downward, displacing the fluid into the well through open windows 4. From above, the piston supports air under pressure in an isolated cavity 6. This partially balances the hydrostatic pressure acting on piston bottom. As a result, the effort to move the piston and the maximum power of the engine 16 can be reduced. In this phase, the piston flange moves the shutter 5, closing the window. When the windows are closed, the remaining liquid is squeezed out through the non-return valve 11, the shutter presses the spring 10 and is fixed to the stop of the latch 7. The engine is reversed, and it returns the piston up, while the working chamber is empty. The projectile is clamped in the well by a controlled wedge clamp, and it is ready for discharge. The command signal for the discharge is fed to the coil of the electromagnet 9, and then the operation of extraction, charging and preparation of the source can be repeated many times.

Кинетическая энергия удара может составить около четверти от энергии W= p_г • V, запасаемой в объеме V пустой камеры. Под высоким давлением p_г удар жидкости происходит с большой скоростью, поэтому мощность сейсмических импульсов значительно выше, чем в известных аналогах.The kinetic energy of the impact can be about a quarter of the energy W = p _g • V stored in volume V of the empty chamber. Under high pressure p _g , liquid shock occurs at a high speed, therefore, the power of seismic pulses is much higher than in known analogues.

Claims

A downhole source of seismic pulses comprising a housing, a cable electric input, a controlled wedge clamp, a drive motor and a power exciter, characterized in that the exciter is made in the form of a chamber with windows in the housing that overlap by an annular shutter and is equipped with a reciprocating piston, the drive being displacement of the piston is made in the form of a lead screw connected through a gearbox and controlled clutch to the motor shaft, windows in the housing are located in the lower part of the chamber and the shutter, preloaded by a spring, is fixed by a latch, conjugated with the anchor of the trigger electromagnet, and a gas cavity is placed above the piston from the side opposite to the working chamber.