СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ КОЛОННЫ ТРУБ, СПУСКАЕМЫХ В СКВАЖИНУ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК E21B47/04 

Изобретение относится к области нефтедобычи и может быть использовано для измерения длины колонны длинномерных тел, в частности насосно-компрессорных труб (НКТ), спускаемых в нефтяную скважину при проведении в ней технологических работ.

В области техники известно несколько подходов для измерения длины труб, спускаемых в скважину в процессе выполнения спускоподъемных операций, без осуществления замеров отдельно взятой трубы или ее части. Основными подходами являются бесконтактные методы измерения, такие как методы с использованием оптических приборов (фото и видео аппаратов) по импульсам колебания среды по гидравлическому каналу скважины или трубы. Бесконтактные методы, как правило, включают использование сложного, дорогостоящего оборудования, требующего точной настройки, при этом работают нестабильно в виду постоянного изменения окружающей среды. Бесконтактные методы в настоящее время не получили широкого применения. Более распространены контактные методы измерения, проводимые путем измерения веса отдельной трубы с последующим их суммированием и вычислением длины, путем подсчета числа оборотов фрикционно связанного с тросом лебедки мерного ролика (или роликов). Контактные методы более надежны и менее подвержены влияниям окружающей среды, однако, в своем большинстве, не учитывают специфику работы бурового оборудования, также имеют значительные погрешности при измерениях. Среди контактных методов распространенным является метод подсчета числа оборотов барабана спуск - подъема лебедки.

Из области техники из неконтактных способов измерений известны способы с использованием оптических методов и устройств, таких как: «Способ растрового оптического измерения скорости объекта» [Патент РФ №2482499, опубликовано 20.05.2013]. Способ основан на формировании пространственной амплитудной модуляции света, отраженного от объекта, с помощью растра, расположенного между оптической системой и фотоприемниками, и детектировании модулированного света с помощью фотоприемников дифференциальных усилителей, по частоте результирующего выходного электрического сигнала с которых судят о скорости объекта; «Способ измерения длины и скорости перемещения колонны труб при спускоподъемных операциях» [Патент РФ №2324812, опубликовано 20.05.2008], в котором колонну труб, соединяемых между собой, спускают в скважину канатной лебедкой, снабженной измерителем веса на талевом блоке, определяют холостые пробеги талевого блока по показаниям измерителя веса, определяют перемещения колонны во времени и пространстве с помощью видеокамеры по перемещению мишени, закрепленной на талевом блоке канатной лебедки, с возможностью одновременного обзора верхнего и нижнего положения мишени при перемещении колонны труб; «Способ измерения технологических параметров колонны труб, спускаемой в скважину, и устройство для его осуществления» [Патент РФ №2714167, опубликовано 12.02.2020], включающий формирование с помощью блока видеоизмерения, последовательной серии фотоизображений фрагментов движущегося объекта, выделения на них контрастных рельефных точек, определения величины перемещения этих точек через равные промежутки времени, снижения погрешности измерения путем усреднения перемещения по контролируемым точкам на интервале времени измерения, суммирования измеренных усредненных перемещений на интервале времени от начала перемещения объекта до его конечной остановки. В устройство для измерения технических параметров колонны труб, спускаемой в скважину, содержащее канатную лебедку, снабженную измерителем веса, на которой установлен талевый блок с элеватором для захвата и подъема труб, соединяемых в колонну, внешний ноутбук и радиочастотный канал.

Недостатками известных неконтактных способов являются следующие показатели:

- измерение перемещения колонны труб осуществляется косвенно по перемещениям, связанным с элементами спускоподъемного механизма, разнесены в пространстве, что вносят дополнительные ошибки в результат измерения при каждой спускоподъемной операции;

- измерительные приборы, расположенные непосредственно в зоне работы технологического оборудования подвержены их воздействию, таких как попадание смазки, технологических жидкостей, бурового раствора и влиянию атмосферных осадков (дождь, снег, туман);

- во всех способах применено оборудование, требующее точной установки, настройки и калибровки непосредственно на месте их крепления, и в случае сбоя снова требует новой настройки и калибровки.

Из области техники известны контактные способы измерения длины длинномерных тел, среди которых широкое распространение получили способы измерения длины НКТ через измерение числа оборотов барабана буровой лебедки, расчета длины разматываемого троса с перерасчетом на длину спускаемых труб [патент на полезную модель РФ 57819, Е21В 47/04, опубликовано: 27.10.2006, описание патента к изобретению РФ 2715769, Е21 В 47/04, опубликовано 03.03.2020, Патент США №4156467, Е21В 47/04, от 29.05.1979 г., заявка на изобретение США №20140216735].

Общими недостатками известных контактных способов измерения через измерение числа оборотов барабана буровой лебедки, являются ошибки измерения длины спускаемых НКТ, измерение которых не прямо пропорционально числу оборотов барабана лебедки, в виду наматывания троса слоями, что и приводит к погрешностям и необходимости внесения дополнительных корректировок в процесс измерения. Ошибки измерения длины колонны НКТ также возникают из-за не учета в процессе измерения удлинения ее под собственным весом, когда происходит прихват труб, или реверсивное движение лебедки. Эти недостатки приводят к существенному снижению точности измерения длины колонны НКТ при спуске ее в скважину.

Из области техники так же известны способы измерения путем подсчета числа оборотов фрикционно связанного с канатом лебедки мерного ролика. Так, в «Способе измерения длины кабеля» [Справочник по нефтепромысловому оборудованию, Е.И. Бухаленко. - М.: Недра, 1983 г., стр. 222], измерение производится путем подсчета числа оборотов фрикционно связанного с кабелем лебедки мерного ролика. Способ позволяет осуществлять непрерывное измерение длины кабеля лебедки с закрепленным на его конце длинномерным телом (глубинным прибором) в процессе спуска или подъема последнего в скважине.

Другим известным способом, взятым в качестве ближайшего аналога, является «Способ измерения длины колонны длинномерных тел, соединяемых между собой и спускаемых в скважину канатной лебедкой, снабженной измерителем веса [Патент РФ №2187638, Е21В 47/04, опубликовано 20.08.2002], включающий измерение длины колонны с учетом ее удлинения под собственным весом, в процессе измерения длины колонны осуществляют циклический подсчет числа оборотов фрикционно связанных с канатом лебедки мерных роликов, начиная с первого длинномерного тела, спускаемого в скважину без учета его веса, последующий счет циклов ведут при наличии нагрузки на канате лебедки, равной весу не менее чем двух длинномерных тел, соединяемых в колонну, а съем показаний осуществляют, по крайней мере, с двух мерных роликов, причем в каждом цикле засчитывают показания мерного ролика, завершившего оборот первым

Недостатками ближайшего аналога является:

- возможность проскальзывания каната лебедки относительно мерных роликов, поэтому ролики требует постоянного прижима к тросу, вследствие малой площади контакта ролика с тросом, а с учетом того, что трос постоянно находится в смазке, это является сложной технической задачей, усложняющей и удорожающей внедрение указанного способа;

- в способе применено несколько роликов, что в целом усложняет систему измерения, при этом ролики только дублируют друг друга, не выполняют дополнительных функций;

- в случае проскальзывания одного или нескольких роликов системе необходимо будет определить, какой из роликов дал сбой в измерениях;

- начало измерений длины труб происходит от сигнала, поступающего от измерителя веса только при наличии нагрузки на канате лебедки, равной весу не менее двух длинномерных тел (НКТ), соединенных в колонну, при этом измеритель веса не всегда точно показывает вес одного тела (НКТ), что приводит к невозможности начать измерения одновременно с началом спуска НКТ;

- наличие в системе измерителя веса будет давать погрешности при нахождении колонны труб непосредственно в скважине, так как система не учитывает силу трения, выталкивающую силу жидкости, находящейся в скважине (сила Архимеда), и многочисленные колебательные движения колонны труб, что может привести к погрешностям, как в начале процесса измерения, так и в ходе его.

Техническая задача изобретения состоит в том, чтобы создать способ измерения длины колонны длинномерных тел, соединяемых между собой и спускаемых в скважину канатной лебедкой, который бы исключал погрешности в начале измерений, обеспечивал отсутствие проскальзывания троса лебедки относительно мерного ролика, исключал влияние внешних факторов на процесс измерений, при этом не вносил бы изменений в конструкцию бурового оборудования, которое может препятствовать его работе, таких как заклинивание дополнительно установленных мерных роликов, наличие дополнительных электрических приборов в непосредственной близости к устью скважины.

Целью изобретения является уменьшение погрешностей при измерении длины колонны длинномерных тел, спускаемых в скважину на канатной лебедке, исключение влияния веса и колебательных движений колонны труб на процесс измерений.

Техническим результатом является повышение точности измерений длины колонный труб, спускаемых в скважину, за счет уменьшения погрешностей в начале измерений, предотвращения проскальзывания троса лебедки в процессе измерений, отсутствие влияния веса колонны труб на процесс измерения. Также способ позволяет измерять скорость движения при спуске колонны труб.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения длины колонны труб, спускаемой в скважину канатной лебедкой, включающий измерение длины колонны в процессе измерения длины колонны осуществляют подсчет числа оборотов фрикционно связанного с канатом лебедки мерного ролика, на котором смонтированы датчики сигналов, взаимодействующие с двумя чувствительными элементами, начиная с первого длинномерного тела, спускаемого в скважину, съем показаний осуществляют с мерного ролика.

Новым в способе является то, что начало измерения производится от сигнала датчика давления, расположенного на пневматической линии управления слайдера с клиновыми захватами и сигнала о вращении мерного ролика, формируют последовательность сигналов, по которой определяется направление движения, длина и скорость движущейся трубы, осуществляют корректировку измерений, сигналом от третьего чувствительного элемента, в случае пропуска сигнала на другие чувствительные элементы или повреждение датчика сигнала, остановку измерений производят при отсутствии сигнала с датчика расположенного на пневматической линии управления спайдера.

Устройство для осуществления заявляемого способа содержит канатную лебедку, на которой установлен талевый блок с элеватором для захвата и подъема труб, соединяемых в колонну, спайдер с клиновыми захватами, мачту с кронблоком, рабочий шкив которого дополнительно к основной функции выполняет функцию мерного ролика, путем крепления на одной из боковых поверхностей датчиков сигнала, которые взаимодействуют с чувствительными элементами размещенными в блоке считывания сигналов зафиксированном на раме кронблока. От чувствительных элементов сигнал, по электрическому кабелю, передается на определитель импульсов блока обработки информации, при этом блок обработки информации электрически соединен с датчиком давления, расположенным на пневматической линии управления спайдера буровой установки. Визуальная информация об измеренной длине труб, скорости их движения отображается на информационного табло, находящегося в зоне видимости оператора буровой.

Существенными отличиями по отношению к прототипу в устройстве для измерения длины перемещения колонны труб, при спускоподъемных операциях, является новое расположение мерного ролика и дополнительное введение новых блоков и их связей. В заявляемом способе, в качестве мерного ролика, используется рабочий шкив кронблока, на боковой поверхности которого предварительно монтируется от 6 до 24 датчиков сигналов, установленных по окружности. Количество датчиков сигналов менее 6 шт. не достаточно для точного измерения, в виду малого количества импульсов поступающих, при значительно большом диаметре шкива кронблока. Применение датчиков сигнала более 24 шт. не целесообразно в связи с тем, что при близком расположении датчиков сигналов между собой, возможна подача сигнала на один чувствительный элемент одновременно от двух датчиков сигнала, что приведет к ошибкам при измерениях.

Штатная конструкция рабочего шкива кронблока, расположенного на мачте, исключает проскальзывание троса лебедки, это связано с тем, что канат лебедки имеет большую площадь соприкосновения с рабочим шкивом, которая составляет около 3/4 окружности шкива. При вращении шкива кронблока датчики сигналов поочередно воздействуют на чувствительные элементы блока считывания сигналов, установленного на кронблоке, сигналы с которого подаются на блок обработки информации. Одновременно на блок обработки информации подается электрический сигнал с датчика давления, установленного на линии подачи давления на срабатывание спайдера, таким образом, что сигнал с датчика давления, необходимый для начала отсчета, подается только при открытом захвате спайдера, когда труба беспрепятственно проходит через спайдер. А в случае, когда клиновые захваты спайдера удерживают трубу в неподвижном состоянии, счет останавливается. Изменение сигнала о начале отсчета привело к устранению погрешности при реверсивном движении колонны труб. Удалось исключить нестабильность веса и колебательных движений колонны труб на процесс начала измерений, который осуществляется только в тот момент, когда колонна труб опускается в скважину. Изменение в получении сигнала от датчика давления, расположенного на пневматической линии управления слайдером, позволило точно вести подсчет количества труб, спускаемых в скважину, так как количество срабатываний спайдера для удержания трубы производится равным количеству, присоединяемых к колонне труб. Указанными изменениями удалось устранить неточности в сигналах, которые поступали от измерителя веса в виду колебательных движений колонн труб при спуске-подъеме, что приводило к неточному подсчету количества труб в колонне.

Увеличение количества элементов, подающих сигнал на мерном ролике, как минимум до 6, позволило уменьшить погрешности, при самом процессе измерения. Для прототипа корректировки необходимы каждому сигналу каждого мерного ролика, в виду возможного их проскальзывания.

Расположение датчиков и чувствительных элементов на кронблоке отвечает правилам безопасности, так как не находится в взрыво- и искра-опасной зоне, как в прототипе.

В способе предусмотрена система автоматической корректировки сигнала (импульсов). Блок считывания сигналов, в сборе, имеет три чувствительных элемента, выполненные в виде датчиков холла. Два чувствительных элемента выполняют функцию регистрации импульсов и определение направления перемещения, а третий обеспечивает постоянный мониторинг количества датчиков сигнала на мерном ролике за счет сравнения количества сигналов, поступивших на данный элемент за полный оборот мерного ролика. Корректировка производится в случае пропуска одного или нескольких сигналов либо из-за сбоя, или любой неисправности. Система автоматической корректировки подает команду на корректировку последовательности сигналов, поступивших на два других чувствительных элемента предотвращая тем самым сбой и ошибки. Введение системы корректировки сигнала позволяет сохранять работоспособность устройства измерения при наличии неисправности, без искажения измеряемых параметров.

Введение в способ новых существенных признаков позволяет достигнуть технического результата за счет возможности точного начала отсчета и его остановки, уменьшения погрешностей при измерении, а также дополнительной корректировки сигнала.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 схематично представлен чертеж конструкции, реализующей спуск колонны длинномерных тел в скважину на примере мобильной буровой установки; на фиг. 2 - представлена схема устройства измерения и введены следующие обозначения:

1. Мобильная буровая установка

2. Канатная лебедка

3. Канат

4. Кронблок

5. Рабочий шкив кронблока

6. Талевый блок

7. Элеватор

8. Колонна труб

9. Спайдер с клиновым захватом

10. Платформа

11. Блок считывания сигналов

12. Чувствительный элемент считывателя сигналов

13. Датчики сигналов

14. Чувствительный элемент системы корректировки сигналов

15. Рама кронблока

16. Определитель импульсов

17. Определитель скорости

18. Блок счетчиков

19. Блок корректировки сигналов

20. Датчик давления

21. Информационное табло

22. Блок обработки информации.

На фиг. 3 приведена фотография блока обработки информации совмещенного с информационным табло выполненного при экспериментальном апробировании заявляемого способа.

Описание способа продемонстрировано на примере спускоподъемных работ НКТ при капитальном ремонте скважины:

На одной из боковых поверхностей рабочего шкива 5 кронблока 4, на равном расстоянии друг от друга, по окружности, крепятся датчики сигналов 13, например, неодимовые магниты, в количестве, предпочтительно, от 6 до 24 штук, в зависимости от диаметра рабочего шкива кронблока 5. Датчики сигналов 13 прикрепляют любым известным способом, например, приклеивают, прикрепляют винтами, скобами, соблюдая условие их надежного закрепления на поверхности шкива. На раме кронблока 15 (Фиг. 2) монтируется блок считывания сигналов 11, содержащий два чувствительных элемента 12 и чувствительный элемент 14 системы корректировки сигналов. Блок 11 располагают на расстоянии от датчиков сигналов 13 (магнитов), при котором обеспечивается стабильное срабатывание чувствительных элементов 12 и 14. От блока 11, по мачте подъемного агрегата буровой установки 1, прокладывают кабель для подачи электрических сигналов в блок обработки информации 22. Блок 22, содержащий информационное табло 21, размещается в районе платформы 10, в непосредственной доступности оператора буровой установки, например на нижней части мачты подъемного агрегата.

В пневматическую линию управления слайдером 9 устанавливают датчик давления 20, который электрически соединяют с блоком обработки информации 22. При начале спускоподъемных работ включают смонтированное устройство измерения, появляются начальные (нулевые) показания на табло 21. С помощью элеватора 7, подвешенного на крюке талевого блока 6, с мостков снимают первую трубу колонны 8, опускают ее в обсадную трубу скважины, фиксируют клиновым захватом спайдера 9, установленного на фланце обсадной трубы скважины. При начале спуска трубы колонны 8 производят ее освобождение от захвата спайдера 9, в этот момент от пневматической системы спайдера срабатывает датчик давления 20, подавая сигнал в блок счетчиков сигнала 18, выполненный, например, в виде программатора, о начале измерений. Получив сигнал счетчик 18 начинает производить отсчет, выводя показания на табло 21. После опускания первой трубы в скважину производится ее захват слайдером 9, при отсутствии электрического сигнала от датчика давления 20 в блок счетчиков 18 происходит остановка измерений, при этом начинается подсчет спущенных в скважину труб. По одному сигналу от датчика давления 20 засчитывается спущенная одна труба. Затем, таким же образом, с мостков снимают вторую трубу колонны 8 и соединяют с первой с помощью резьбового соединения. Колонну из двух соединенных труб приподнимают лебедкой с целью освобождения клинового захвата спайдера 9. Поскольку движение лебедки 2 было на подъем, в блок счетчиков 18 поступил сигнал из блока считывания сигналов о реверсивном движении рабочего шкива кронблока 5. Получив сигнал о реверсивном движении мерного ролика 5, блок счетчиков 18 производит процесс подсчета сигналов с «минусовым» значением и соответственно измерений с обратным значением длины. После возобновления процесса спуска труб колонны 8 в скважину в блок счетчиков 18 поступает сигнал о начале счета с «плюсовым» значением, при прямом движении мерного ролика 5, продолжается измерение длины спускаемых труб колонны 8. Далее с мостков снимается очередная труба и весь цикл, включающий в себя соединение труб, приподъем (реверсивное движение колонны) с целью освобождения клинового захвата спайдера 9, опускание в эксплуатационную колонну очередной трубы и фиксацию ее клиновым захватом спайдера повторяют до завершения спуска всей колонны труб 8. В процессе измерений показания скорости, длины спущенной колонны труб и их количества, в реальном времени, выводятся на информационное табло 21. В случае возникновения внештатных ситуаций включается в работу система коррекции сигнала, состоящая из чувствительного элемента 14 и блока корректировки 19. В случае отсутствия взаимодействия с одним из датчиков сигнала 13 или отсутствие импульсного сигнала от одного из чувствительных элементов 14, блок коррекции 19 подает корректирующий сигнал на блок счетчиков 18, который производит корректировку на текущий пересчет измерений. Процесс корректировки происходит автоматически, не требует каких -либо вмешательств специалистов. При этом на информационном табло 21 продолжает отображаться достоверная информация об измеряемых величинах. Для подсчетов импульсов, их корректировки, преобразование импульсов в расчетные величины была создана специальная программой для ЭВМ, примененная в устройстве.

Пример реализации способа.

Способ был апробирован в ноябре 2020 года на Самотлорском месторождении при капитальном ремонте скважины. Блок считывания сигналов был смонтирован на раме кронблока подъемного агрегата. Корпус блока считывания сигналов был выполнен из пластика и алюминия и являлся герметичным. На лицевой поверхности указанного блока были установлены три индикатора, импульсное свечение которых показывало работоспособность чувствительных элементов при взаимодействии с магнитами (датчиками сигналов). Магниты были закреплены на пластинах в виде сегментов, а уже пластины прикреплены к рабочему шкиву кронблока. На мачте подъемного агрегата, в доступном для оператора месте, был установлен блок обработки информации (Фиг. 3), который также был выполнен герметичным. Дополнительно в пневматическую линию управления работой спайдера буровой установки был вмонтирован датчик давления (типа пневматический/электрический). Все составляющие устройства измерения были соединены между собой экранированными кабелями. При спуске колонны НКТ в скважину на информационном табло в режиме реального времени отражались показания длины спущенной колонны в метрах, скорость спуска НКТ в метрах в секунду, а также количество спущенных труб в штуках. При проведении экспериментального замера заявленным способом, проводился замер механическим способом НКТ - замер рулеткой. При сопоставлении замеров рулеткой и заявляемым способом, погрешность измерений составила от 0,1 до 0,3%. К блоку обработки информации устройства был подключен модуль связи системы GSM, который осуществлял передачу сигнала в главный офис компании, где по сети Интернет обеспечивался доступ к измеряемым показаниям на любом устройстве, подключенном к сети Интернет, при наличии соответствующей программы.

Экспериментальный замер подтвердил работоспособность измерительного устройства и расчет линейного перемещения колонны НКТ с минимальной погрешностью. Кроме того, способ имеет возможность расчета и анализа скорости движения колонны НКТ при спуске, с отражением количества труб в колонне.

Эксперимент подтвердил работоспособность заявленного способа и устройства его реализующего.

Группа изобретений относится к способу измерения длины колонны труб и устройству для его осуществления и может быть использована в области нефтедобычи для измерения длины колонны длинномерных тел, в частности насосно-компрессорных труб, спускаемых в нефтяную скважину при проведении в ней технологических работ. Способ включает измерение длины колонны, осуществляют подсчет числа оборотов фрикционно связанного с канатом лебедки мерного ролика, начало измерений производится от сигнала датчика давления, расположенного на пневматической линии управления спайдера, и сигнала о вращении мерного ролика, формируют последовательность сигналов, по которой определяется направление движения, длину и скорость движущейся колонны труб, осуществляется корректировка измерений. Устройство содержит канатную лебедку, на которой установлен талевый блок с элеватором для захвата и подъема труб, соединяемых в колонну, спайдер с клиновыми захватами, мачту с кронблоком, функцию мерного ролика выполняет рабочий шкив кронблока, на боковой поверхности которого смонтированы датчики сигнала, взаимодействующие с чувствительными элементами, размещенными на раме кронблока, а на пневматической линии управления спайдера буровой установки установлен датчик давления. Способ обеспечивает возможность расчета и анализа скорости движения колонны труб при спуске, с отражением количества труб в колонне. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения длины колонны труб, спускаемых в скважину, включающий измерение длины колонны, в процессе измерения осуществляют подсчет числа оборотов фрикционно связанного с канатом лебедки мерного ролика, начиная с первой трубы, спускаемой в скважину, съем показаний осуществляют с мерного ролика, отличающийся тем, что начало измерений производится от сигнала датчика давления, расположенного на пневматической линии управления спайдера, и сигнала о вращении мерного ролика, формируют последовательность сигналов, по которой определяется направление движения, длина и скорость движущейся колонны труб, осуществляют корректировку измерений, остановку измерений производят при отсутствии сигнала с датчика давления, расположенного на пневматической линии управления спайдера.

2. Устройство для измерения длины колонны труб, спускаемых в скважину, содержащее канатную лебедку, на которой установлен талевый блок с элеватором для захвата и подъема труб, соединяемых в колонну, спайдер с клиновыми захватами, мачту с кронблоком, мерный ролик, отличающееся тем, что функцию мерного ролика выполняет рабочий шкив кронблока, на одной из боковых поверхностей которого смонтированы датчики сигнала, взаимодействующие с чувствительными элементами, размещенными на раме кронблока, а на пневматической линии управления спайдера буровой установки установлен датчик давления.