Канатные работы в скважине

Кратко о главном

Проволока (slickline) — одна стальная жила 1,8–3,2 мм: дёшево, быстро, удары яссом передаются хорошо, но связи с прибором нет. Канат (braided line) свит из проволок и прочнее — для тяжёлых работ и ловли. Кабель (electric line) несёт жилы в броне: питание и связь в реальном времени, перфорация, посадка пакеров и пробок.
Под давлением инструмент вводят через лубрикатор — трубу над фонтанной арматурой, которая вмещает всю сборку. Проволоку уплотняет сальник, канат и кабель — головка с нагнетанием смазки; превентор для каната закрывается на линии, если уплотнение отказало.
Сборка сверху вниз: канатный замок, грузовые штанги, ясс, шарнир, рабочий инструмент. Штанги дают вес и силу удара; механический ясс бьёт вверх и вниз резким движением линии, гидравлический — сильно вверх с задержкой.
Давление на устье выталкивает линию из скважины с силой $p_{wh}A$ , как плунжер: проволоку — десятки и сотни ньютонов, толстый кабель — тысячи. Сборка должна весить больше с запасом на трение в уплотнении.
Индикатор веса показывает вес сборки и линии в скважине за вычетом выталкивающей силы. Натяжение у устья ограничивают долей разрывного усилия, и с глубиной вес линии съедает запас на инструменте; перетянутая проволока рвётся обычно у устья.
Перед извлечением пробки давления над и под ней выравнивают; глубину по счётчику проверяют по ниппелям, муфтам и мере труб.

Ключевые соотношения

F_{\text{выт}} = p_{wh}\,A_{\text{л}},\quad A_{\text{л}} = \pi d^2/4

сила, выталкивающая линию из скважины; МПа × мм² = Н

T = (W_{\text{и}} + wL)\left(1 - \rho_{\text{ж}}/\rho_{\text{ст}}\right) - p_{wh}A_{\text{л}}

показание индикатора веса при свободно висящей сборке

F_{\text{и}} = k_{\text{доп}}\,F_{\text{разр}} - T

статическая сила, которую можно передать прихваченному инструменту

Где чаще всего ошибаются

Спускать кабель в скважину с высоким давлением, не рассчитав грузы: сборку вытолкнет, а лубрикатор может не вместить нужные штанги.
Тянуть проволоку «до упора», чтобы сорвать инструмент: она оборвётся у устья, и в НКТ упадут километры проволоки.
Извлекать пробку, не выровняв давление над и под ней: перепад выбросит сборку вверх.
Работать углеродистой проволокой в скважине с сероводородом.
Считать счётчик глубины точным: нагрев линии и изменения её натяжения в скважине дают ошибки в метры.

После урока вы сможете

сравнить проволоку, канат и кабель и выбрать линию для работы;
описать оборудование устья для работ под давлением — лубрикатор, сальник и герметизатор с нагнетанием смазки, превентор — и порядок, в котором инструмент вводят в скважину и извлекают;
назвать элементы инструментальной сборки — канатный замок, грузовые штанги, яссы, шарнир — и объяснить, как ударами ясса сажают и извлекают устройства;
описать типовые операции: шаблонирование, установку и извлечение пробок и замков, переключение циркуляционных клапанов, замену газлифтных клапанов, исследования и отбор проб, ловильные работы;
рассчитать выталкивающую силу давления и нужный вес сборки, вес линии в скважине, показание индикатора веса и запас натяжения на инструменте.

Что делают на канате и почему это выгодно

Оборудование лифтовой колонны — посадочные ниппели, циркуляционные клапаны, скважинные камеры, клапаны-отсекатели, извлекаемые на канате, — рассчитано на то, чтобы его обслуживали сверху, не поднимая труб (Оборудование лифтовой колонны). Инструмент опускают на линии в НКТ и там, ударами или натяжением, приводят в действие: сажают устройство в профиль ниппеля, сдвигают втулку, захватывают и извлекают. В отечественной практике это называют канатными работами или работами с канатной техникой; исследования глубинными приборами на проволоке входят в гидродинамические исследования скважин.

узнать о скважине и пласте: записать давление и температуру по стволу, оставить манометр в ниппеле на время исследования, отобрать глубинную пробу, записать профиль притока;
поддерживать трубы проходимыми: проверить проход шаблоном, срезать парафин и отложения, поднять песок;
менять устройства в лифтовой колонне: поставить или извлечь пробку, штуцер, обратный клапан, клапан-отсекатель на канате, заменить клапан в скважинной камере, открыть или закрыть циркуляционный клапан;
вскрывать пласт и ставить оборудование на кабеле: перфорировать, сажать пакеры и пробки — в том числе неизвлекаемый пакер до спуска НКТ;
исправлять аварии: извлекать оставленные в скважине инструменты и оборванную проволоку — ловильные работы.

Главное преимущество — работа на скважине под давлением: её не глушат и не рискуют повредить пласт жидкостью глушения (Повреждение пласта и скин повреждения). Ограничения тоже понятны. Инструмент опускается под собственным весом, и при зенитном угле больше примерно 60–70° трение о трубы его останавливает (предельный угол); дальше нужны штанги на роликах, скважинный трактор на кабеле или гибкие трубы. Инструмент должен проходить через самое узкое место колонны. Наконец, оператор у устья не видит инструмента: он судит о нём по натяжению линии и глубине по счётчику, поэтому работа требует опыта и расчёта.

Проволока, канат и кабель

Проволока (slickline) — одна гладкая стальная жила диаметром обычно 1,8–3,2 мм, бывает и до 4,8 мм; несколько километров её наматывают на барабан лебёдки. В отечественной практике её называют также скребковой: этой же проволокой спускают скребки для очистки труб от парафина. Диаметр берут наименьшим, при котором высокопрочной стали хватает на нужную нагрузку: тонкая проволока легче, меньше изгибается на роликах и меньше выталкивается давлением. Гладкую жилу легко уплотнить, и она хорошо передаёт резкие движения на ясс.

Канат (braided line) свит из нескольких прядей тонких проволок, диаметр 4,8–6,4 мм. Он в два-три раза прочнее проволоки и нужен, когда её прочности не хватает: тяжёлые сборки, ловильные работы, извлечение прихваченного оборудования. Геофизический кабель (electric line) — одна или несколько изолированных жил под двумя слоями стальной брони, диаметр примерно 5,6–12 мм. По кабелю к прибору идёт питание, от прибора — данные, а на перфоратор или посадочный инструмент — команда; поэтому на кабеле перфорируют, сажают пакеры и пробки с привязкой по глубине и пишут каротаж в обсаженной скважине (Доставка перфораторов и технология работ). Канат и кабель снаружи витые, и уплотнить их на устье труднее, чем гладкую проволоку.

Линии для канатных работ (типичные данные)

Линия: Проволока 0,092″
Диаметр: 2,34 мм
Разрывное усилие: 6,9 кН
Для чего: лёгкие работы, приборы

Линия: Проволока 0,108″
Диаметр: 2,74 мм
Разрывное усилие: 9,4 кН
Для чего: основная для пробок, замков, клапанов

Линия: Проволока 0,125″
Диаметр: 3,18 мм
Разрывное усилие: 12,6 кН
Для чего: тяжёлые сборки, глубокие скважины

Линия: Канат 3/16″
Диаметр: 4,75 мм
Разрывное усилие: 22 кН
Для чего: ловильные и тяжёлые работы

Линия: Кабель 0,330″
Диаметр: 8,38 мм
Разрывное усилие: 46–50 кН
Для чего: перфорация, посадка, каротаж

Линия	Диаметр	Разрывное усилие	Для чего
Проволока 0,092″	2,34 мм	6,9 кН	лёгкие работы, приборы
Проволока 0,108″	2,74 мм	9,4 кН	основная для пробок, замков, клапанов
Проволока 0,125″	3,18 мм	12,6 кН	тяжёлые сборки, глубокие скважины
Канат 3/16″	4,75 мм	22 кН	ловильные и тяжёлые работы
Кабель 0,330″	8,38 мм	46–50 кН	перфорация, посадка, каротаж

Разрывное усилие проволоки — для углеродистой стали по API 9A; у проволоки из коррозионностойких сплавов оно ниже, а у кабелей зависит от конструкции. В расчётах берут значение из паспорта конкретной линии.

Проволоку портят перегибы при монтаже, изгиб на роликах малого диаметра и усталость от ударов ясса. Её проверяют на скручивание — сколько оборотов выдерживает образец до разрыва — и регулярно отрезают изношенный участок у замка. В скважинах с сероводородом углеродистую проволоку охрупчивает водород, и она может лопнуть при нагрузке намного меньше паспортной; если парциальное давление сероводорода больше 0,3 кПа (0,05 psi) — порога, принятого в ISO 15156, — берут проволоку из коррозионностойких сплавов. Это важно для сернистых месторождений Казахстана.

Приборы на проволоке пишут данные в память и питаются от батарей: глубинный манометр-термометр, локатор муфт, расходомер. Данные считывают после подъёма. Кабель передаёт их сразу — дороже, но работу можно вести по показаниям прибора в реальном времени.

Оборудование устья: лубрикатор, уплотнение линии, превентор

Чтобы опустить инструмент в скважину под давлением и не выпустить флюид наружу, над фонтанной арматурой собирают систему, которая держит давление вокруг линии и инструмента.

СхемаСлева — оборудование устья при канатных работах (схема, не в масштабе): на фонтанной арматуре превентор для каната, над ним лубрикатор, в котором помещается вся инструментальная сборка, наверху сальник с роликом; проволока идёт через нижний ролик с датчиком натяжения на лебёдку. Давление в лубрикаторе выталкивает проволоку через сальник с силой

p_{wh}A

. Справа — сборка на проволоке над ниппелем с замком и пробкой.

Лубрикатор (lubricator): одна или несколько труб на быстросъёмных соединениях, рассчитанных на давление скважины, — шлюз между скважиной и атмосферой. Инструмент заводят в лубрикатор при закрытой арматуре, поэтому длина лубрикатора ограничивает длину сборки, а с ней — вес грузов и длину перфоратора. Внизу часто ставят ловушку, которая не даёт инструменту упасть в скважину, если линия оборвётся у сальника, и кран для стравливания давления.
Сальник (stuffing box): уплотняет гладкую проволоку набивкой, которую поджимают вручную или гидравлически; над ним — ролик. Если проволока оборвётся и её выдует из сальника, давление скважины прижимает внутренний запорный элемент и закрывает отверстие.
Головка с нагнетанием смазки (grease injection head): витой канат или кабель набивкой не уплотнить: по его поверхности газ уйдёт, как по резьбе. Линия проходит через несколько трубок с малым зазором, куда насосом подают густую смазку под давлением выше устьевого; смазка заполняет промежутки между проволоками и постоянно понемногу уходит — её собирают.
Превентор для каната (wireline BOP): плашки с резиновыми уплотнениями закрываются вокруг линии и отсекают скважину, когда нужно заменить набивку сальника или отказало уплотнение смазкой. Для каната и кабеля ставят две пары плашек и нагнетают смазку между ними. На опасных скважинах добавляют устройство, которое режет линию и герметизирует ствол, — последнее средство.
Ролики, индикатор веса и счётчик глубины: нижний ролик крепят к арматуре, на нём датчик натяжения — индикатор веса; лебёдка с мерным роликом считает длину спущенной линии.

Как инструмент входит в скважину и выходит из неё

1
Монтаж
при закрытых задвижках арматуры сборку заводят в лубрикатор, лубрикатор с превентором ставят на арматуру.
2
Опрессовка
лубрикатор и соединения испытывают давлением не ниже ожидаемого устьевого.
3
Выравнивание
задвижки арматуры открывают медленно: давление в лубрикаторе сравнивается с устьевым, и с этого момента сила $p_{wh}A$ выталкивает линию.
4
Спуск и работа
сборку спускают, следя за натяжением и глубиной, у ниппелей и сужений сбавляют скорость.
5
Извлечение
сборку поднимают в лубрикатор, закрывают задвижки арматуры, стравливают давление из лубрикатора и только потом разбирают соединения.

Инструментальная сборка и как работает ясс

На конце линии собирают инструментальную сборку (tool string). Её верх одинаков почти для всех работ, а внизу ставят инструмент для конкретной операции. Элементы соединяют быстросъёмными соединениями, у каждого сверху — ловильная шейка (fishing neck): профиль, за который элемент можно захватить, если он останется в скважине.

Канатный замок (rope socket): крепит линию к сборке: проволоку заплетают вокруг диска с пружиной, канат и кабель зажимают клиньями. В кабельной головке есть слабое звено (weak point) — оно рвётся при заданной силе раньше кабеля, чтобы от прихваченной сборки можно было отцепиться и поднять кабель целым.
Грузовые штанги (stem, weight bar): стальные стержни длиной 0,6–1,5 м и диаметром примерно от 19 до 89 мм. Дают вес, чтобы сборка шла вниз против давления и трения, и массу, которая разгоняется и бьёт при работе яссом. Для тяжёлых сборок в узком проходе берут штанги из более тяжёлых сплавов, в наклонных скважинах — на роликах.
Механический ясс (mechanical, spang jar): телескопическое звено со свободным ходом. Оператор резко поднимает линию — штанги разгоняются на длине хода, и в конце его ясс бьёт вверх; резко отпускает — штанги падают и бьют вниз. Сила удара растёт с массой штанг и скоростью.
Гидравлический ясс: бьёт только вверх: масло медленно перетекает через узкий канал, и ясс некоторое время держит натяжение. Оператор успевает растянуть линию, а когда канал открывается, энергия растяжения разгоняет штанги. В глубоких скважинах, где растяжение проволоки гасит резкие движения у устья, без него трудно получить сильный удар вверх. Ускоритель (пружинный или газовый) над яссом усиливает удар.
Шарнир (knuckle joint): шаровое соединение, которое даёт сборке изгибаться: помогает проходить искривления ствола и сужения и центрировать инструмент над ниппелем или карманом скважинной камеры.
Рабочий инструмент: посадочный (running tool) держит устройство на срезных штифтах и отпускает его, когда удар срезает штифт; извлекающий (pulling tool) захватывает устройство за ловильную шейку и тоже имеет штифт, срезав который можно отцепиться, если устройство не идёт.

Почему именно удары? Сила удара на инструменте может быть во много раз больше статического натяжения, которое выдерживает проволока: удар длится миллисекунды, и нагрузку создаёт масса разогнанных штанг, а не линия. Ударом вниз замок «вбивают» в профиль ниппеля и срезают посадочный штифт; ударами вверх срывают с места и извлекают. Плата — усталость проволоки и замка, поэтому после тяжёлой работы яссом проволоку у замка перевязывают.

Типовые операции

Шаблонирование (gauge run): первым спуском почти любой работы опускают шаблон — кольцо с режущей кромкой по диаметру чуть меньше прохода НКТ. Он проверяет, что трубы чисты и инструмент пройдёт, срезает парафин и отложения и находит ниппели и забой — по ним уточняют счётчик глубины.
Установка и извлечение замков и пробок: замок (установочная оправка) с пробкой, манометром, штуцером или клапаном спускают на посадочном инструменте; ударами вниз упоры замка входят в профиль ниппеля (посадочные ниппели), затем срезают штифт и поднимают сборку. Извлекающий инструмент захватывает замок за ловильную шейку, удары вверх выводят упоры из профиля.
Переключение циркуляционных клапанов: инструмент с подпружиненными упорами цепляет внутреннюю втулку и ударами сдвигает её вверх или вниз; перед открытием давления в НКТ и затрубье выравнивают (циркуляционные клапаны).
Замена клапанов в скважинных камерах: инструмент с отклоняющимся рычагом (kickover tool) у кармана камеры выводит захват в сторону, извлекает газлифтный клапан или пробку и ставит новый (Газлифт: принцип и подбор режима). Без подъёма НКТ скважину переводят на газлифт или меняют глубину ввода газа.
Исследования: глубинные манометры и термометры спускают на остановки по глубине (градиенты давления и температуры — Пластовое давление и температура) или оставляют в ниппеле на время исследования восстановления давления (Анализ кривой восстановления давления).
Отбор глубинных проб: пробоотборник спускают против пласта или чуть выше перфорации (Отбор проб пластовых флюидов).
Очистка: скребками и парафинорезками срезают парафин, желонками поднимают песок и осадок с забоя или над пробкой.

Ловильные работы (fishing) начинаются, когда в скважине остались инструмент, прибор или оборванная проволока. Первое правило — понять, что именно и как лежит в скважине. Для этого спускают печать — свинцовый блок, на котором остаётся отпечаток верха оставленного предмета. Предмет с ловильной шейкой захватывают извлекающим инструментом; оборванную проволоку, которая в трубах сворачивается в клубок, ловят крючковатым ловителем — ершом, предварительно сбив её в ком. Если сборка прихвачена и не освобождается ни ударами, ни срезанием штифта, проволоку перерезают у канатного замка сбрасываемым по ней резаком, поднимают и ловят уже сборку. Тяжёлую ловлю ведут на канате или на гибких трубах, где допустимое натяжение больше.

Расчёты: выталкивающая сила, вес и запас натяжения

Давление скважины действует на сборку и линию со всех сторон, и одна сила остаётся неуравновешенной: в сальнике линия выходит из объёма под давлением в атмосферу. Линия работает как плунжер, который вдвигают в сосуд под давлением: чтобы втолкнуть в скважину каждый следующий метр, нужна сила, равная давлению, умноженному на площадь её сечения. Эту силу должна пересилить сборка своим весом.

Сила, с которой давление выталкивает линию из скважины

F_{\text{выт}} = p_{wh}\,A_{\text{л}}, \qquad A_{\text{л}} = \frac{\pi d^2}{4}

где:

$F_{\text{выт}}$ выталкивающая сила, Н
$p_{wh}$ давление на устье, то есть в лубрикаторе (избыточное), Па
$A_{\text{л}},\ d$ площадь сечения и диаметр линии; для каната и кабеля — по наружному диаметру, м², м

Единицы: СИ; удобно давление в МПа и площадь в мм² — их произведение в ньютонах

Справедливо, если

над уплотнением атмосферное давление;
трение в сальнике или головке со смазкой не входит — его покрывают запасом веса;
сила не зависит от глубины сборки: она действует всё время, пока линия проходит через уплотнение, но важнее всего в начале спуска, когда в скважине ещё нет веса линии.

Сила растёт как квадрат диаметра линии: кабель 8,38 мм выталкивается в 9 раз сильнее проволоки 2,74 мм. Поэтому на скважинах с высоким давлением предпочитают проволоку или тонкий кабель.

В других системах единиц (2)

Метрические единицы

F_{\text{выт}}\,[\text{Н}] = p_{wh}\,[\text{МПа}]\cdot A_{\text{л}}\,[\text{мм}^2]

давление — МПа, площадь — мм².

Постоянной нет: 1 МПа·мм² = 1 Н.

Промысловые единицы (oilfield)

F_{\text{выт}}\,[\text{lbf}] = p_{wh}\,[\text{psi}]\cdot A_{\text{л}}\,[\text{in}^2]

давление — psi, площадь — квадратные дюймы.

Постоянной нет: psi — это фунт-сила на квадратный дюйм.

Показание индикатора веса при свободно висящей сборке

T = \left(W_{\text{и}} + w\,L\right)\left(1 - \frac{\rho_{\text{ж}}}{\rho_{\text{ст}}}\right) - p_{wh}\,A_{\text{л}}

где:

$T$ натяжение линии над уплотнением — показание индикатора веса, Н
$W_{\text{и}}$ вес инструментальной сборки в воздухе, Н
$w,\ L$ вес метра линии в воздухе и длина линии в скважине, Н/м, м
$\rho_{\text{ж}},\ \rho_{\text{ст}}$ плотность жидкости в скважине и стали (7850 кг/м³), кг/м³
$p_{wh}A_{\text{л}}$ выталкивающая сила, Н

Единицы: СИ; удобно Н, Н/м, м, МПа и мм²

Справедливо, если

вертикальный ствол, сборка неподвижна или движется равномерно; трение не учтено: при подъёме оно увеличивает показание, при спуске уменьшает, а в наклонном стволе может быть больше веса сборки;
плотность жидкости одна по всему стволу; в газе множитель плавучести близок к единице;
для кабеля множитель приближённый: кабель легче стали того же объёма.

Это «вес на крючке» канатных работ. По нему оператор видит, идёт ли сборка свободно: при посадке на сужение натяжение падает, при затяжке растёт. При прихваченном инструменте всё, что индикатор показывает сверх $T$ , приходится на инструмент.

Запас натяжения на инструменте

F_{\text{и}} = k_{\text{доп}}\,F_{\text{разр}} - T

где:

$F_{\text{и}}$ наибольшая статическая сила, которую можно передать прихваченному инструменту сверх веса, Н
$F_{\text{разр}}$ разрывное усилие линии по паспорту, Н
$k_{\text{доп}}$ допустимая доля разрывного усилия; её задают правила компании с учётом изгиба на роликах, износа и ударов, —

Единицы: СИ (любые одинаковые единицы силы)

Справедливо, если

нагрузка статическая: удары ясса создают кратковременные силы больше статических;
натяжение наибольшее у устья, где линия несёт и себя, и сборку, — поэтому перетянутая проволока рвётся обычно у устья, и в трубы падает почти вся линия.

С глубиной вес линии съедает запас: на большой глубине тонкой проволокой статически почти ничего не сдвинуть — работают ударами.

Расчётный примерХватит ли веса, чтобы войти в скважину: проволока и кабель

Исходные данные (условные)

Скважина: газовая, давление на устье закрытой скважины 23,0 МПа
Сборка на проволоке 2,743 мм (0,108″): канатный замок, 3,0 м грузовых штанг 38,1 мм, механический ясс, шарнир, извлекающий инструмент — 45 кг
Сборка на кабеле 8,382 мм (0,330″): приборы 60 кг без грузов; грузовые штанги 42,9 мм
Условия: запас веса на трение в уплотнении 20 %; плавучестью в газе пренебрегаем

Решение

Площади сечения: проволока $\pi\cdot2{,}743^2/4 = 5{,}91$ мм², кабель $\pi\cdot8{,}382^2/4 = 55{,}18$ мм².
Выталкивающая сила: на проволоку $23{,}0\cdot5{,}91 = 136$ Н (около 14 кгс), на кабель $23{,}0\cdot55{,}18 = 1269$ Н — в 9,3 раза больше.
Сборка на проволоке весит $45\cdot9{,}81 = 441$ Н — в 3,2 раза больше выталкивающей силы: спуск пойдёт.
Кабельной сборке нужно не меньше $1{,}2\cdot1269 = 1523$ Н, то есть 155 кг. Приборы весят 60 кг, недостаёт 95 кг; метр штанги 42,9 мм весит 11,3 кг, значит, нужно около 8,4 м грузовых штанг.

Ответ: Проволочной сборке веса хватает с запасом в 3,2 раза; кабельной нужно добавить около 95 кг — 8,4 м штанг, и лубрикатор должен вместить их вместе с приборами.

Что это значит. Выталкивающая сила важна в начале спуска: дальше помогает вес самой линии в скважине. Кабель весит 2,86 Н/м и уравновешивает выталкивающую силу уже на 444 м, проволока — на 299 м. Но сначала сборка должна войти через арматуру, и её вес решает всё. На газовых скважинах с высоким давлением отсюда длинные лубрикаторы, штанги из тяжёлых сплавов и выбор тонкого кабеля. Пренебрежение плавучестью в газе (около 0,18 г/см³ при таком давлении) завышает вес примерно на 2 % — для проверки на выталкивание это чуть не в запас, но на вывод не влияет. Данные примера условные.

Расчётный примерКакой запас натяжения остаётся на глубине

Исходные данные (условные)

Линия: проволока 2,743 мм из углеродистой стали, разрывное усилие 9,386 кН (2110 lbf)
Правило: натяжение у устья — не больше 50 % разрывного усилия
Работа: извлечение пробки из ниппеля на 2450 м; сборка 45 кг; давление на устье 23,0 МПа; газ
Для сравнения: проволока 3,175 мм (0,125″), разрывное усилие 12,63 кН (2840 lbf); глубина 5000 м

Решение

Масса метра проволоки $7850\cdot5{,}91\cdot10^{-6} = 0{,}0464$ кг, вес 0,455 Н/м. На 2450 м в скважине $0{,}455\cdot2450 = 1115$ Н проволоки.
Индикатор веса при висящей сборке: $1{,}115 + 0{,}441 - 0{,}136 = 1{,}42$ кН (проволока, сборка, минус выталкивающая сила).
Допустимое натяжение $0{,}5\cdot9{,}386 = 4{,}69$ кН; запас на инструменте $4{,}69 - 1{,}42 = 3{,}27$ кН.
На 5000 м: проволока 2,276 кН, индикатор 2,58 кН, запас 2,11 кН — на треть меньше.
Проволока 3,175 мм на 5000 м: тяжелее (0,610 Н/м), но прочнее — допустимо 6,32 кН, индикатор 3,31 кН, запас 3,01 кН.

Ответ: На 2450 м прихваченному инструменту можно статически передать около 3,27 кН сверх веса, на 5000 м — 2,11 кН; более толстая проволока на 5000 м даёт 3,01 кН.

Что это значит. Освобождающие штифты и посадочные усилия подбирают под удары ясса, которые даёт эта сборка, а статическую тягу используют только в пределах найденного запаса. Если тянуть сверх допустимого, проволока рвётся у устья, где натяжение наибольшее, и в трубы падают километры проволоки — это уже тяжёлые ловильные работы. Расчёт для вертикального ствола без трения; в наклонном стволе трение о трубы при подъёме добавляется к показанию индикатора и уменьшает силу, дошедшую до инструмента. Плавучестью в газе пренебрегли: она уменьшила бы показание примерно на 2 % — запас на деле чуть больше. Данные примера условные.

РасчётРасчётное показание индикатора веса при свободно висящей сборке 45 кг в газовой скважине с давлением на устье 23 МПа для проволоки 2,74 и 3,18 мм и допустимое натяжение у устья (50 % разрывного усилия, штриховые линии). Расстояние между сплошной и штриховой линиями одного цвета — запас натяжения на инструменте; с глубиной он уменьшается.

Термины и обозначения

Проволока, канат, кабель: три вида линий: гладкая жила, свитый канат, кабель с жилами связи в броне.
Лубрикатор: труба-шлюз над арматурой, в которую заводят инструмент перед спуском в скважину под давлением.
Сальник и головка со смазкой: уплотнение проволоки набивкой и каната или кабеля — густой смазкой в трубках с малым зазором.
Превентор для каната: плашки, которые закрываются вокруг линии и отсекают скважину при отказе уплотнения.
Инструментальная сборка: канатный замок, грузовые штанги, ясс, шарнир и рабочий инструмент на конце линии.
Ясс: звено, которое превращает разгон штанг или энергию растянутой линии в удар вверх или вниз.
Ловильные работы: извлечение оставленных в скважине инструментов, приборов и оборванной линии.
$F_{\text{выт}} = p_{wh}A_{\text{л}}$: сила, с которой давление выталкивает линию; её пересиливает вес сборки.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Давление в скважине прижимает сборку и помогает спуску».

На самом деле

Наоборот: давление выталкивает линию через уплотнение с силой $p_{wh}A$ . Сборка должна весить больше — для толстого кабеля на газовой скважине нужны сотни килограммов грузов.

Неверно

«Пока проволока не порвалась, тянуть можно».

На самом деле

Натяжение ограничивают долей разрывного усилия: изгиб на роликах, износ и удары снижают прочность. Обрыв у устья роняет в трубы почти всю проволоку — это дорогие ловильные работы.

Неверно

«Пробку извлекают сразу, как захватили».

На самом деле

Сначала выравнивают давление над и под пробкой; иначе перепад выбросит её вместе со сборкой вверх.

Неверно

«Счётчик глубины показывает, где инструмент».

На самом деле

Счётчик меряет линию у устья. В скважине она нагревается, а трение, натяжка и удары меняют её растяжение — на глубине 2–3 км это метры. Глубину уточняют по ниппелям, забою, муфтам и мере труб.

Неверно

«Проволока одна для всех скважин».

На самом деле

В сероводородной среде углеродистая проволока охрупчивается; при парциальном давлении сероводорода выше 0,3 кПа берут проволоку из коррозионностойких сплавов, у которой разрывное усилие ниже.

Подробно: для продвинутых

Растяжение линии: счётчик глубины, ясс и место прихвата

Счётчик меряет длину линии, проходящей через мерный ролик, под тем натяжением, которое у неё в этот момент. В спокойной вертикальной скважине каждый участок линии и дальше несёт ту же нагрузку — вес всего, что висит ниже, — поэтому растяжение под постоянной нагрузкой уже входит в показание. Инструмент уходит от показания счётчика, когда натяжение в скважине меняется после того, как линия прошла ролик, и когда линия нагревается:

в наклонном стволе трение уменьшает натяжение при спуске и увеличивает при подъёме, и одна и та же отметка счётчика при спуске и подъёме приходится на разную глубину;
натяжка прихваченного инструмента и удары ясса растягивают линию сильнее, а посадка сборки на сужение её разгружает;
в скважине линия нагревается от температуры поверхности до пластовой и удлиняется;
мерный ролик проскальзывает и изнашивается.

Иначе с магнитными метками на каротажном кабеле: их наносят через равные расстояния при заданном натяжении, а в скважине натяжение по длине кабеля другое, поэтому глубину по меткам исправляют на растяжение (каротаж на кабеле). Сверка счётчика с метками показывает и проскальзывание ролика.

Удлинение линии при изменении натяжения и нагреве

\Delta L = \frac{\Delta F\,L}{E\,A_{\text{л}}} + \alpha\,L\,\Delta\bar T

где:

$\Delta L$ удлинение линии в скважине сверх того, что показал счётчик, м
$\Delta F$ изменение натяжения по всей длине $L$ после того, как линия прошла счётчик, — например, натяжка сверх веса, Н
$L$ длина линии, на которую действует $\Delta F$ : до инструмента или до места, где линия зажата, м
$E$ модуль Юнга стали, 207 000 МПа = $2{,}07\cdot10^{11}$ Па, Па
$A_{\text{л}}$ площадь сечения проволоки, м²
$\alpha$ коэффициент линейного расширения стали, $1{,}24\cdot10^{-5}$ , 1/°C
$\Delta\bar T$ средний по длине нагрев линии относительно температуры у счётчика, °C

Единицы: СИ

Справедливо, если

сплошная проволока, вертикальный ствол; у каната и кабеля удлинение под нагрузкой больше, его берут по паспорту; паспортные коэффициенты растяжения проволоки тоже несколько больше расчёта по модулю стали;
$\Delta F$ одинаково по всей длине $L$ — так бывает, когда инструмент или линия зажаты и их тянут с устья; трение по стволу его уменьшает с глубиной;
влияние давления на удлинение не учтено.

Длинная проволока — пружина жёсткостью $EA/L$ : на глубине, чтобы передать инструменту натяжку, оператор выбирает метры проволоки, а резкое движение у устья до инструмента почти не доходит — поэтому для сильного удара вверх нужен гидравлический ясс. Обратная задача — по удлинению под добавочной натяжкой найти, на какой длине линия свободна.

Расчётный примерНатяжка, нагрев и место прихвата на 2450 м

Исходные данные (условные)

Линия: проволока 2,743 мм; инструмент прихвачен в ниппеле на 2450 м
Натяжка: 1,0 кН сверх веса при свободно висящей сборке
Нагрев: в среднем на 40 °C

Решение

Жёсткость сечения: $EA = 207\,000\cdot5{,}91 = 1223$ кН (МПа × мм² = Н).
Натяжка 1,0 кН растягивает 2450 м проволоки на $1{,}0\cdot2450/1223 = 2{,}00$ м: столько проволоки нужно выбрать, прежде чем инструмент почувствует 1 кН.
Нагрев: $1{,}24\cdot10^{-5}\cdot2450\cdot40 = 1{,}22$ м — инструмент глубже показания счётчика.
Если бы та же натяжка дала удлинение лишь 1,40 м, свободной была бы только длина $1223\cdot1{,}40/1{,}0 \approx 1710$ м: проволока зажата выше инструмента — например, запуталась или прихвачена в отложениях.

Ответ: Натяжка 1 кН на 2450 м растягивает проволоку на 2,00 м, нагрев на 40 °C удлиняет её на 1,22 м; удлинение 1,40 м под той же натяжкой указало бы на место прихвата около 1710 м.

Что это значит. Для посадки в ниппель ошибка счётчика не страшна — ниппель находят по посадке инструмента. Для привязки прибора к пласту или перфоратора к интервалу она недопустима, и глубину уточняют по муфтам и мере труб. Оценка места прихвата приближённая: трение в стволе и неточно известная жёсткость проволоки сдвигают её на сотни метров — паспортное растяжение проволоки бывает на 15–20 % больше расчёта по модулю стали, и тогда то же удлинение указало бы на место прихвата на 200–300 м выше. Данные примера условные.

Индикатор веса тоже требует внимания. Датчик стоит на нижнем ролике, через который линия поворачивает от лубрикатора к лебёдке, и чувствует равнодействующую двух натяжений, $R = 2T\cos(\beta/2)$ , где $\beta$ — угол между направлениями линии к лубрикатору и к лебёдке. Шкалу градуируют для определённого угла, обычно 90°; если лебёдку поставили так, что угол другой, показание нужно пересчитать: при меньшем угле прибор завышает натяжение, при большем — занижает.

Связь с другими темами

Оборудование лифтовой колонны — ниппели, замки, циркуляционные клапаны, скважинные камеры и клапаны-отсекатели, которые обслуживают на канате.
Заканчивание скважины: вскрытие пласта и лифтовая колонна — функции лифтовой колонны и барьеры скважины.
Доставка перфораторов и технология работ — перфорация на кабеле и на проволоке, привязка по глубине.
Газлифт: принцип и подбор режима — газлифт и скважинные камеры, клапаны которых меняют на канате.
Отбор проб пластовых флюидов — глубинные пробоотборники на кабеле и проволоке.
Анализ кривой восстановления давления — исследования с глубинным манометром в ниппеле.
Каротаж в открытом стволе: зачем, как и когда — кабель, глубина по кабелю и доставка приборов в наклонные стволы.
Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления — барьеры и контроль скважины при работах под давлением.

Проверьте себя

1
В газовой скважине с давлением на устье 30 МПа нужно на две недели поставить глубинный манометр в ниппель для исследования восстановления давления. Какую линию выбрать?
1. А.Только гибкие трубы
2. Б.Канат 6,4 мм
3. В.Геофизический кабель 11,8 мм
4. Г.Проволоку с прибором, записывающим данные в память
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Проволоку с прибором, записывающим данные в память
Прибор с памятью и батареями не нуждается в связи, а проволоку меньше всего выталкивает давление и проще всего уплотнить. Толстый кабель на 30 МПа потребовал бы сотен килограммов грузов, и прибор всё равно пришлось бы оставлять в ниппеле без кабеля.
2
Давление на устье 30 МПа, проволока 3,175 мм. Какую силу создаёт давление и сколько должна весить сборка при запасе 20 % на трение в сальнике?
Показать ответ
Площадь $\pi\cdot3{,}175^2/4 = 7{,}92$ мм², сила $30\cdot7{,}92 = 237{,}6$ Н (около 24 кгс). С запасом 20 % — около 285 Н, то есть сборка не легче примерно 29 кг. Обычная сборка с грузовыми штангами весит больше, так что для проволоки это ограничение редко бывает главным.
3
Пробку в ниппеле захватили извлекающим инструментом. Под пробкой — пластовое давление, над ней в НКТ давление намного меньше. Что нужно сделать перед извлечением?
1. А.Ничего: перепад поможет поднять пробку
2. Б.Закрыть превентор и тянуть
3. В.Сразу ударить яссом вверх
4. Г.Выровнять давление над и под пробкой — закачкой в НКТ или через уравнительный клапан пробки
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Выровнять давление над и под пробкой — закачкой в НКТ или через уравнительный клапан пробки
Сорванная под перепадом пробка полетит вверх вместе со сборкой: её может заклинить в трубах, проволока запутается и оборвётся. Сначала выравнивают давление, потом срывают пробку ударами вверх.
4
При спуске на 1500 м показание индикатора веса резко упало, хотя лебёдка продолжает отдавать проволоку. Что произошло и что делать?
Показать ответ
Сборка остановилась — села на сужение, отложения или посадочный профиль, — и проволока больше не несёт её вес. Если продолжать спуск, проволока будет ложиться петлями поверх сборки, перегнётся и может запутаться. Спуск останавливают, осторожно поднимают до восстановления веса и выясняют причину — например, шаблоном или печатью.
5
Почему в глубоких скважинах сильный удар вверх получают гидравлическим яссом, а не только механическим?
1. А.Гидравлический ясс работает от давления скважины
2. Б.Длинная проволока растягивается и гасит резкие движения у устья; гидравлический ясс держит натяжение, пока линия растягивается, а потом отпускает — энергия растяжения разгоняет штанги
3. В.Гидравлический ясс легче
4. Г.Механический ясс не бьёт вверх
Показать ответ
Правильный ответ: Б. Длинная проволока растягивается и гасит резкие движения у устья; гидравлический ясс держит натяжение, пока линия растягивается, а потом отпускает — энергия растяжения разгоняет штанги
У механического ясса сила удара зависит от скорости штанг, а на глубине резкий рывок у устья поглощает упругость нескольких километров проволоки. Гидравлический ясс задерживает срабатывание, оператор растягивает линию, и запасённая в ней энергия разгоняет штанги для удара вверх.
6
Проволоку перетянули, пытаясь сорвать прихваченную сборку. Где, скорее всего, произойдёт обрыв и почему это плохо?
Показать ответ
У устья: там натяжение наибольшее — линия несёт и себя, и сборку, — а на роликах её ещё и изгибает. Оборвавшаяся проволока падает в НКТ и сворачивается в клубок над сборкой; сначала ловят её ершом, потом сборку. Поэтому натяжение ограничивают долей разрывного усилия, а у инструментов есть срезные штифты для отцепления.

Обновлено: 26 октября 2026 г.