АВТОНОМНЫЙ ЗАБОЙНЫЙ РЕГИСТРАТОР СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ДОЛОТ Российский патент 2024 года по МПК E21B45/00 

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для измерения силовых параметров работы долот.

Известно забойное устройство для измерения осевой нагрузки колонны бурильных труб (А.С. СССР N1170129, Е21В 45/00, Бюл. N 28, 30.07.85). Это устройство содержит встроенный в колонну бурильных труб упругий элемент, на суженной части которого с наружной стороны расположены датчики измерения деформаций, защитный стакан, контейнер с электронным блоком, дополнительный защитный стакан, упругий элемент, выполненный в форме цилиндра ступенчатой формы из того же материала, что и основной упругий элемент, при этом дополнительный защитный стакан установлен герметично со стороны внутритрубного давления, а защитные стаканы совместно с суженной частью основного упругого элемента образуют две концентрические воздухозаполненные полости, в утолщенной части основного упругого элемента выполнено отверстие, куда до упора вставлен дополнительный упругий элемент, образующая поверхность большего диаметра которого уплотнена, а на образующей поверхности меньшего диаметра расположены дополнительные датчики измерения деформации, причем торец дополнительного упругого элемента меньшего диаметра сообщен с заполненной воздухом полостью, где расположены датчики измерения деформации основного упругого элемента, а торец большего диаметра сообщен с затрубным пространством, при этом отношение площадей большего и меньшего сечений дополнительного упругого элемента равно отношению площадей сечений основного упругого элемента в утолщенной и суженной частях.

При такой конструкции повышается точность измерений путем исключения влияния внутритрубного и затрубного давлений, вызывающих деформацию растяжения упругого элемента, а также осуществляется компенсация влияния гидростатического давления, вызывающего деформацию сжатия. Однако при этом конструкция значительно усложняется, а электрическое суммирование сигналов датчиков измерения деформаций на основном и дополнительных упругих элементах приводит к дополнительным погрешностям.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является "Автономное забойное устройство для измерения силовых параметров" (пат. №2131974 РФ, 1999. Бюл. №17.), включающее встроенный в колонну бурильных труб упругий элемент с расположенными на нем датчиками измерения деформаций, защитный стакан, установленный герметично со стороны внутритрубного давления, и контейнер с электронным блоком, снабжено компенсатором давления, состоящим из двух полостей, разделенных диафрагмой, при этом одна из полостей сообщена с затрубным пространством, а другая каналом - с полостью датчиков, расположенной между внутренней поверхностью стенки упругого элемента и наружной поверхностью защитного стакана, при этом на внутренней поверхности стенки упругого элемента расположены датчики измерения деформаций, а сама полость и сообщенная с ней каналом полость компенсатора давления заполнены инертной по отношению к датчикам измерения деформаций жидкостью, кроме того, оно снабжено устройством запуска работы электронного блока, состоящим из местного гидравлического сопротивления, дифференциального датчика давления с двумя полостями, диафрагмой и электрическим выходом и каналами, при этом гидравлическое сопротивление установлено внутри бурильной трубы, и одна полость дифференциального датчика давления сообщена каналом с внутритрубным пространством перед гидравлическим сопротивлением, а другая каналом сообщена с полостью датчиков, а электрический выход дифференциального датчика давления подключен к электронному блоку. Недостатками этого устройства являются:

во-первых, сложность конструкции в связи с наличием компенсатора давления и полости, заполненной инертной жидкостью, а также наличие дифференциального датчика давления для запуска работы электронного блока;

во-вторых, большие погрешности измерений, связанные с температурным воздействием и с тем, что измерительный элемент с тензорезисторами находится в непосредственном контакте с потоком промывочной жидкости, среднее давление которой изменяется и пульсирует, а компенсатор давления с резиновой диафрагмой не воспроизводит эти пульсации в полости, заполненной инертной жидкостью.

в третьих, устройство не измеряет и не регистрирует внутритрубное и затрубное давления в скважине.

Задача изобретения - упрощение конструкции, повышение точности измерений силовых параметров и измерение и регистрация давлений промывочной жидкости в затрубном и внутритрубном пространствах буровой колонны.

Поставленная задача достигается тем, что автономный забойный регистратор силовых параметров работы долот, включающий нижний переводник с муфтовой замковой резьбой в нижней части и конической ниппельной резьбой в верхней, а также внутренними нижним и верхним торцами, ствол, ввинченный в нижний переводник со стороны муфтовой резьбы, постамент, на который опирается обечайка, электронный блок, размещенный между стволом и обечайкой, крышку, перекрывающую верхнее пространство между стволом и обечайкой, уплотнения, герметизирующие различные полости, верхний переводник, навинченный на нижний переводник, согласно предлагаемому техническому решению регистратор оснащен тензометрической втулкой, выполненной в виде тонкостенной трубы диаметром D и длиной L с резьбой на одном конце, который ввинчен во внутренний торец нижнего переводника, и фланцем на другом, который прижат к наружному торцу нижнего переводника гайкой прижимной, ввинченной в резьбу, выполненную во внутренней полости нижнего переводника, а также двумя датчиками давления, установленными в удлинители с осевыми сквозными каналами, которые соединены с нижним торцем нижнего переводника.

Кроме того, минимальная длина L трубной части тензометрической втулки рассчитывают в зависимости от ее диаметра D по неравенству: L≥1,5D, на наружную поверхность втулки наклеивают тензорезисторы, зона их наклейки отстоит от упорных торцов резьбы и фланца тензометрической втулки минимум на D/4.

Кроме того, в корпусе нижнего переводника выполнены каналы, соединяющие осевые отверстия одного удлинителя с внутритрубным пространством, другого с затрубным.

Техническим результатом предлагаемого решения является: во-первых измерение силовых параметров осуществляется с помощью тензометрической втулки, которая не подвергается воздействию переменного давления и температуры промывочной жидкости, что значительно повышает точность измерений, а также исключает необходимость заполнять полость, в которой находится измерительный элемент инертной жидкостью и оснащать конструкцию компенсатором давления, что упрощает конструкцию;

во вторых оснащение устройства двумя датчиками давления с удлинителями и соответствующими каналами в нижнем переводнике позволяет измерять и регистрировать давления промывочной жидкости в затрубном и внутритрубном пространствах буровой колонны, а анализ соотношения измеренных величин позволяет определить момент начала запуска устройства на запись результатов измерений в память, что исключает необходимость применения датчика пуска, и таким образом, упрощает конструкцию;

в третьих расчет минимально необходимой длины трубного участка тензометрической втулки в зависимости от его диаметра и определение положения зоны наклейки тензорезисторов позволяет повысить точность измерений.

На фиг.1 изображен общий вид автономного забойного регистратора силовых параметров работы долот. На фиг.2 изображен фрагмент автономного забойного регистратора силовых параметров работы долот.

На фигурах 1 и 2 позициями обозначены: 1 - верхний переводник, 2 - крышка, 3 - обечайка, 4 - электронный блок, 5 - ствол, 6 - постамент, 7 - датчик давления, 8- удлинитель со сквозным осевым каналом, 9- прижимная гайка, 10 - нижний переводник, 11- кабель, 12- тензорезистор, 13- тензометрическая втулка, 14- каналы, 15 - внутритрубное пространство, 16- каналы, 17- удлинитель со сквозным каналом, 18- датчик давления, 19- уплотнительный элемент Тензометрическая втулка 13, выполненная в виде тонкостенной трубы диаметром D и длиной L с резьбой на одном конце и фланцем на другом, с наклеенными на ее наружную поверхность тензорезисторами 12 ввинчена во внутренний торец нижнего переводника 10, что обеспечивает их жесткое соединение. Фланец тензометрической втулки 13 опирается на наружный торец нижнего переводника 10 и прижат к нему гайкой прижимной 9, которая ввинчена в специальную резьбу нижнего переводника 10, что обеспечивает жесткое соединение фланца тензометрической втулки 13 с наружным торцом нижнего переводника 10 и равные деформации трубной части Б нижнего переводника 10 и цилиндрической части А тензометрической втулки 13. Деформации поверхностей А и Б пропорциональны силам, действующим на муфтовую резьбу нижнего переводника 10, к которой присоединяется поро-доразрушающий инструмент. Эти деформации преобразуются тензорезисторами 12 в электрические сигналы, которые подаются по кабелю 11 на электронный блок 4, размещенный в кольцевом пространстве между обечайкой 3, которая опирается на постамент 6 и стволом 5, ввинченном в нижний переводник 10. Кольцевое пространство сверху закрыто крышкой 2. Для преобразования тензорезисторами 12 сил в электрические сигналы с минимальными погрешностями последние должны быть наклеены по длине L тензометрической втулки 13 в зоне линейных изменений деформаций. При жестком соединении концов тензометрической втулки 13 деформации изменяются нелинейно на расстоянии D/4 от жестко соединенных концов (см. Акчурин X. И., Трушкин О. Б. Инвариантное тензометрическое измерение силовых параметров в некотором сечении бурильной колонны в процессе проводки скважины // НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности». 2007. №10. С.13-22.) Зона наклейки тензорезисторов не превышает диаметра D поверхности, на которую они наклеиваются. Следовательно длина L тензометрической втулки определяется из следующего неравенства:

Измерение давления промывочной жидкости в внутритрубном пространстве буровой колонны осуществляется датчиком давления 7, оснащенным удлинителем 8 с сквозным осевым каналом, ввинченным в нижний торец нижнего переводника 10. Каналы 14 подводят промывочную жидкость из внутритрубного пространства 15 к отверстию удлинителя. Измерение давления промывочной жидкости в затрубном пространстве буровой колонны осуществляется датчиком давления 18, оснащенным удлинителем 17 с сквозным осевым каналом, ввинченным в нижний торец нижнего переводника 10. Каналы 16 подводят промывочную жидкость из затрубного пространства к отверстию удлинителя. Электрические сигналы с датчиков давления 7 и 18 подаются на электронный блок 4, в котором осуществляется цифровая регистрация измеренных величин. Уплотнительные элементы 19, установленные в соответствующих местах нижнего переводника 10 и крышки 2, обеспечивают герметичность, перечисленных выше конструктивных элементов, от внутритрубного давления промывочной жидкости.

Устройство работает следующим образом.

Автономный забойный регистратор силовых параметров работы долот (см. фиг.1) привинчивается ниппелем верхнего переводника 1 к колонне бурильных труб, а муфтой нижнего переводника 10 к долоту и спускается до забоя в скважину, заполненную промывочной жидкостью,. Промывочная жидкость под скважинным давлением поступает по каналам 14 и 16 и удлинителям 8 и 17 к датчикам давления 7 и 18. Включается циркуляция промывочной жидкости в скважине и вращение долота, на которое создается осевая нагрузка. В результате разрушения породы на долото действуют осевая сила, крутящий и изгибающий моменты, которые вызывают соответствующие деформации поверхностей А и Б пропорционально силам. Наклеенные на поверхность А тензометрической втулки 13 тензорезисторы 12 преобразуют деформации в электрические сигналы, которые по кабелю 11 передаются на электронный блок 4, в котором они преобразуются в цифровые коды готовые к записи в память электронного блока. Величины затрубного и внутритрубного давлений, преобразованные датчиками давления 7 и 18 в электрические сигналы, также передаются по кабелю 11 на электронный блок, оцифровываются, подготавливаются для сопоставительного анализа и записи в память электронного блока. По результатам сопоставительного анализа программа электронного блока принимает решение о начале записи результатов измерений в память. После подъема автономного забойного регистратора силовых параметров работы долот на устье скважины отвинчивается верхний переводник 1, снимается крышка 2 и результаты регистрации переписываются в компьютер для анализа.

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для измерения силовых параметров работы долот. Автономный забойный регистратор силовых параметров работы долот состоит из нижнего переводника с муфтовой замковой резьбой в нижней части, к которой привинчивается долото, и конической ниппельной резьбой в верхней. Переводник имеет внутренние нижний и верхний торцы, внутреннюю резьбу над верхним торцом. Ствол с осевым каналом ввинчен в нижний переводник со стороны муфтовой резьбы, постамент, на который опирается обечайка, электронный блок, размещенный между стволом и обечайкой, крышку, перекрывающую верхнее пространство между стволом и обечайкой, уплотнения, герметизирующие различные полости, верхний переводник, навинченный на нижний переводник. Регистратор оснащен тензометрической втулкой, выполненной в виде тонкостенной трубы диаметром D и длиной L с резьбой на одном конце, который ввинчен во внутренний торец нижнего переводника, и фланцем на другом, который прижат к наружному торцу нижнего переводника гайкой прижимной, ввинченной во внутреннюю резьбу нижнего переводника. На наружную поверхность трубного элемента тензометрической втулки наклеены тензорезисторы, преобразующие деформации, вызванные силами, действующими на муфтовую резьбу, в электрические сигналы, которые передаются на электронную часть устройства. Два датчика давления, ввинченные в удлинители с осевыми сквозными каналами, которые ввинчены в нижний торец нижнего переводника, обеспечивают измерение внутритрубного и затрубного давлений промывочной жидкости и запуск электронной части на запись измеренных и оцифрованных параметров. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Автономный забойный регистратор силовых параметров работы долот, включающий нижний переводник с муфтовой замковой резьбой в нижней части и конической ниппельной резьбой в верхней, а также внутренними нижним и верхним торцами, ствол, ввинченный в нижний переводник со стороны муфтовой резьбы, постамент, на который опирается обечайка, электронный блок, размещенный между стволом и обечайкой, крышку, перекрывающую верхнее пространство между стволом и обечайкой, уплотнения, герметизирующие различные полости, верхний переводник, навинченный на нижний переводник, отличающийся тем, что регистратор оснащен тензометрической втулкой, выполненной в виде тонкостенной трубы диаметром D и длиной L с резьбой на одном конце, который ввинчен во внутренний торец нижнего переводника, и фланцем на другом, который прижат к наружному торцу нижнего переводника гайкой прижимной, ввинченной в резьбу, выполненную во внутренней полости нижнего переводника, а также двумя датчиками давления, установленными в удлинители с осевыми сквозными каналами, которые соединены с нижним торцем нижнего переводника.

2. Регистратор по п. 1, отличающийся тем, что минимальная длина L трубной части тензометрической втулки рассчитывают в зависимости от ее диаметра D по неравенству: L≥1,5D, на наружную поверхность втулки наклеивают тензорезисторы, зона их наклейки отстоит от упорных торцов резьбы и фланца тензометрической втулки минимум на D/4.

3. Регистратор по п. 1, отличающийся тем, что в корпусе нижнего переводника выполнены каналы, соединяющие осевые отверстия одного удлинителя с внутритрубным пространством, другого с затрубным.