ЗАБОЙНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК E21B47/00 

Изобретение относится к технике для проходки нефтяных и газовых скважин, а именно к системам контроля количества газа в промывочной жидкости.

Известно устройство для определения количества газа в буровом глинистом растворе, содержащем забойный генератор импульсов давления, установленный в переводнике над долотом и выполненный в виде камеры, образованной дисками с отверстиями, вращаемыми посредством специального двигателя (а.с. СССР N 391265, кл. Е 21 В 47/00).

Однако данное устройство имеет низкую надежность из-за заклинивания и быстрого выхода из строя дисков, создающих импульсы давления. К тому же оказалось невозможным сконструировать недорогую и надежную в работе с подходящими энергетическими характеристиками приводную двигательную часть.

Известно так же устройство, предназначенное для тех же целей, где роль "пульсатора", создающего "пики" импульсы давления выполняет гидротурботахометр, устанавливаемый над забойным двигателем (а.с. СССР N 648720, кл. Е 21 В 47/00).

Однако в этом случае устройство не может быть использовано при роторном бурении, а при бурении с использованием буровых растворов с повышенной плотностью и турбобуры, и особенно гидротурботахометры работают очень недолго и ненадежно.

К тому же "пика" давления, возникающая в результате введения дополнительного гидравлического сопротивления в нагнетательную линию бурильной колонны (т. е. до турбины турбобура и долота), хорошо фиксируется только датчиком, устанавливаемым на манифольде буровой установки. Другой датчик, который должен быть установлен над превенторами в пространстве, образованном внутренней поверхностью технической колонны и наружной поверхностью ведущей трубы, должен фиксировать не пику давления от гидравлического удара, а изменение давления за создаваемым дополнительным гидравлическим сопротивлением. При этом датчик отстоит от этого сопротивления на 3000-5000 и более метров. Естественно, в этом случае датчик, заглубляемый под уровень сливаемого раствора на величину в 0,1-1,0 м, может не реагировать на изменение гидравлического сопротивления, а выполненный сверхчувствительным может реагировать на изменение плотности и вязкости "пачек" восходящего потока бурового раствора.

Наиболее близким техническим решением из известных является забойный генератор импульсов давления, содержащий связанные с соответствующими частями бурильной колонны корпус и размещенный в нем с возможностью осевого перемещения и передачи крутящего момента полый шток и уплотнительный элемент, размещенный в кольцевом пространстве между корпусом и штоком (патент Франции N 1271127, кл. Е 21 В, 1961 г.).

Недостатком устройства является отсутствие механизма определения момента отсчета времени распространения импульса давления в кольцевом пространстве скважины. Так, начало отсчета времени с момента подачи инструмента, фиксируемое на устье, в силу множества геолого-технических факторов будет существенно опережать момент посадки инструмента на забое практически на любую произвольную величину времени.

Изобретение направлено на решение задачи по повышению достоверности определения момента начала отсчета времени распространения импульса давления в кольцевом пространстве скважины. При осуществлении изобретения обеспечивается в момент начала распространения волны давления по кольцевому пространству резкое падение давления в бурильной колонне и распространение этого сигнала в полости бурильной колонны.

Для этого в забойном генераторе импульсов давления, содержащем связанные с соответствующими частями бурильной колонны корпус и размещенный в нем с возможностью осевого перемещения и передачи крутящего момента полый шток и уплотнительный элемент, размещенный в кольцевом пространстве между корпусом и штоком, шток снабжен штуцером, размещенным в его полости у расположенного в корпусе конца, а стенки штока имеют отверстия, расположенные между штуцером и противоположным концом штока, причем уплотнительный элемент установлен с фиксацией от осевого перемещения относительно корпуса и гидравлического разобщения через упомянутое кольцевое пространство отверстий стенок штока и полости штуцера в положении максимального выхода штока из корпуса. Кроме того, площадь (S_ш) проходного сечения штуцера и суммарная площадь (S_o) проходных сечений отверстий стенок штока находятся в следующей зависимости S_o/S_ш≥1.

Параллельно включенные в гидравлическую систему бурильной колонны штуцер и отверстия стенок штока позволяют создавать в полости бурильной колонны импульсы давления, а именно, при посадке инструмента на забой в момент выталкивания в кольцевое пространство скважины бурового раствора и начала распространения по кольцевому пространству скважины импульса давления. В этот момент через отверстия стенок штока полость штуцера гидравлически сообщается через кольцевое пространство между корпусом и штоком и созданный в результате импульс падения давления распространяется в полости бурильной колонны.

Указанное соотношение площади проходного сечения штуцера и суммарной площади проходных сечений отверстий стенок штока позволяет получить устойчивый сигнал падения давления на датчике в манифольде буровой установки.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен продольный разрез забойного генератора импульсов давления при максимальном выходе штока из корпуса; на фиг. 2 -то же, при заходе штока в корпус.

Устройство имеет цилиндрический корпус 1, в котором установлен полый шток 2, на котором закрепляется на резьбе поршень 3. Цилиндрическая часть 4 штока 2 своим верхним концом центрируется в направляющей втулке 5, которая неподвижно закреплена в корпусе 1. Шток 2 в своей части, расположенной под поршнем 3, имеет шестигранные (или шлицевые, или любые другие) направляющие 6, которые могут перемещаться относительно аналогичных направляющих втулки 7, которая крепится на резьбе к корпусу 1. Направляющие штока 2 и втулки 7 служат для передачи крутящего момента с корпуса 1 на шток 2. Нижняя часть втулки 7 имеет конический посадочный упор 8, в который упирается посадочный упор 9 штока 2. В кольцевом пространстве между корпусом 1 и штоком 2 размещен уплотнительный элемент 10, зафиксированный от осевого перемещения относительно корпуса 1.

В полости верхнего конца штока 2 установлен штуцер 11, который имеет диффузорный гаситель струи 12. В стенке цилиндрической части 4 штока 2 под гасителем струи 12 имеются отверстия 13, которые сообщают внутреннюю полость штока 2 с кольцевым пространством, расположенным между цилиндрической - наружной поверхностью 4 и внутренней поверхностью корпуса 1. Верхняя часть корпуса 1 посредством резьбы 14 соединяется с выше расположенной частью бурильной колонны (на чертеже не показана), а нижняя часть штока 2 посредством резьбы 15 с нижерасположенной частью бурильной колонны (на чертеже не показана).

Устройство устанавливается либо непосредственно над долотом, либо вблизи долота в колонне утяжеленных бурильных труб.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При бурении забоя скважины упор 8 корпуса 1 и упор 9 штока 2 сомкнуты. При необходимости создания импульса давления в кольцевом пространстве скважины бурильный инструмент приподнимают над забоем на 1- 1,5 м, снимая осевую нагрузку с долота без прекращения циркуляции промывочной жидкости. При этом шток 2 выходит на всю свою длину из корпуса 1, а поршень 3 упирается в резьбовой торец втулки 7. В этот момент уплотнительный элемент 10 располагается между отверстиями 13 штока 2 и его штуцером 11. Происходит скачок "пика" давления внутри бурильной колонны, который равен величине гидравлического удара, вызванного перекрытием отверстий 13 и прекращением перетока по ним промывочной жидкости. В удлинившейся бурильной колонне аккумулируется дополнительный объем бурового раствора. "Пика" давления четко фиксируется датчиком давления, установленным на манифольде буровой установки.

Затем следует резкая посадка инструмента на забой (на длину хода штока 2). Штуцер 11 выводится из-под давления благодаря перемещению штока 2 в крайнее верхнее положение. Э1тот момент четко фиксируется датчиком, установленным на манифольде буровой установки из-за резкого падения давления нагнетания, и при этом в кольцевое пространство скважины выталкивается поршнем 3 дополнительно объем бурового раствора, заключенный между штоком 2 и корпусом 1 (6-10 л); соответствующая этому акту волна давления со скоростью звука распространяется по кольцевому пространству скважины и фиксируется датчиком, приемная часть которого располагается в пространстве, образованном технической колонной скважины и наружной поверхностью ведущей трубы.

Отсчет времени распространения импульса давления в кольцевом пространстве скважины производится с момента "падения" давления, фиксируемого датчиком, установленным на манифольде буровой установки. В случае, когда в бурильных трубах и в кольцевом пространстве скважины циркулирует буровой раствор с одинаковыми физико-механическими свойствами и одинаковыми реолого-гидравлическими характеристиками, на фиксирующем приборе время прихода двух сигналов: "падение давления" (на манифольде) и относительный рост давления против его среднего значения (на устье скважины) отмечается практически одновременно. При изменении физико-механических свойств раствора и его реолого-гидравлических характеристик в кольцевом пространстве скважины, на которые особенно влияет его насыщение газом, происходит запаздывание внешнего сигнала относительно сигнала, передаваемого по бурильным трубам и манифольде.

Время запаздывания и служит мерой опасности складывающейся ситуации. Опасности открытого газового выброса по кольцевому пространству с глубины порядка 5000 м соответствует запаздыванию внешнего сигнала примерно в 7-10 с.

Использование: системы контроля количества газа в промывочной жидкости. Сущность изобретения: забойный генератор импульсов давления содержит связанный с бурильной колонной корпус, размещенный в нем полой шток и уплотнительный элемент. Шток имеет штуцер, размещенный в его полости. Стенки штока выполнены с отверстиями, расположенными между штуцером и концом штока. Уплотнительный элемент разобщает отверстия стенок штока и полость штуцера в положении максимального выхода штока из корпуса. Площадь проходного сечения штуцера и суммарная площадь отверстий стенок штока находятся в определенной зависимости. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Забойный генератор импульсов давления, содержащий связанные с соответствующими частями бурильной колонны корпус и размещенный в нем с возможностью осевого перемещения и передачи крутящего момента полый шток и уплотнительный элемент, размещенный в кольцевом пространстве между корпусом и штоком, отличающийся тем, что шток снабжен штуцером, размещенным в его полости у расположенного в корпусе конца, а стенки штока имеют отверстия, расположенные между штуцером и противоположным концом штока, причем уплотнительный элемент зафиксирован от осевого перемещения относительно корпуса и гидравлически разобщает через упомянутое кольцевое пространство отверстия стенок штока и полость штуцера в положении максимального выхода штока из корпуса. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что площадь проходного сечения штуцера и суммарная площадь проходных сечений отверстий стенок штока находятся в зависимости S_o/S_ш≥1,
где S_o суммарная площадь проходных сечений отверстий стенок штока;
S_ш площадь проходного сечения штуцера.