Устройство для контроля положения отклонителя,азимута и зенитного угла скважины при турбинном бурении Советский патент 1984 года по МПК E21B47/22 

11 Изобретение относится к бурению направленных нефтяных и газовых скважин турбинным способом, Известно устройство для ориентации отклонителя при турбинном бурении, содержащее задатчик азимута, датчик гидроимпульсов с клапаном автономный источник питания, распре делитель воздуха, две емкости, одна из них приемная, а другая запол- нена ежатам воздухом. Привод датчика гидроимпульсов вьтолнен в виде пневмоцилиндра со штоком, причем полость пневмоцилиндра электрически связана через распределитель и емкости с задатчиком азимута, а шток жестко соединен с клапаном lj . Н достчагок известного устройства заключается в отсутствии информации об изменении азимута и зенитного угла ствола скважины при .известном заданном направлении отклойитёля по азимуту в непосредственном процессе бурения. Цель изобретения - повыте ше точ ности поддержания необходимого положения отклонителя в процессе направ™ . ленного бурения скваясины. Поставленная цель достигается тем, что устройство для контроля по ложения оФклонителя, азимута и зени ного угла скважины при турбинном бурении, содержащее корпус, датчиказимута и зенитного угла, задатчик отклонителя с релейным выходом, автономш источник питания и канал связи, снабжено часовым механизмом с выходньм валом, датчик азимута вьтолнен в корпусе в виде тела вращения со смещенным центром тяжести и с контактной группой опроса и контроля азимута и отклоните ля, включающей четыре полуконтакта, а датчик зенитного угла выполнен в виде консольно укрепленной в подтип ншсовой опоре траверсы с размещенны на ее боковой стенке контактами наклона скважины, а в торцевой ее части установлено коническое колесо с жестко закрепленной на нем контакной пластиной и вилкой с отвесом и контактами опроса и контроля вертикального направления, при этом коническое колесо кинематически свя зано с часовым механизмом, а контак ты наклона скважины и контроля вертикального направления электрически соединены с контактом опроса дат 2 чика, причем контактная группа электрически связана с контактом опроса датчика азимута, а два ее полуконтакта установлены на валу часового механизма, контакты опроса датчиков азимута и зенитного угла соединены с релейньм выходом задатчика азимута /отклонителя, 1 На фиг. 1 и 2 представлена конструкция устройства; на фиг, 3 -. принципиальная злектропневмокинематическая схема; на фиг. 4 - илгаострация временнцх разверток гидроимпульсов , несущих информацию о положении отклонителя, азимута и зенит- . ного угла скважины. Устройство (фиг. 1) представляет собой элемент бурильной колонны, состоящий из корпуса 1 и установленных в нем задатчика 2 азимута отклонителя блока 3, датчиков азимута и зенитного угла сквадсины, автономного источника 4 питания, гидровключателя 5 питания, датчика 6 гидроимпульсов и привода датчика гидроимпульсовПривод датчика гидроимпульсов включает в себя пневмоцилиндр 7, полости 8 и 9 которого сообщены по средством воздуховодов .10-13 через электроуправляемый распределитель 14 с емкостью 15 сжатого воздуха и приемной емкостью 16, которая предварительно заполнена воздухом с атмосферным давлением. Соотношение объемов емкости 15 со сжатым воздухом и приемной емкости 16 по отношению к объему рабочих камер 8 и 9 пневмоцилиндра 7 подбираются с учетом необходимого количества срабатываний привода датчика гидроимпульсов в процессе установки отклонителя в заданном азимуте, а так же срабатываний привода при опросе блока 3 датчиков азимута и зенитного угла скважины. При этом отработанная часть воздуха, переходя в приемную емкость 16, не должна вызывать значительное понижение давления в емкости 15 сжатого воздуха. Датчик 6 гидроимпульсов представляет собой концентрически расположенный по отношению к корпусу 1 с определенным зазором дилиндр, в верхней части которого выполнено седло 17 клапана 18. Последний жестко связан со штоком 19 и соответственно с поршнем 20 пневмоцилиндра 7. Датчик

3

6 гидроимпульсов предназначен для создания дополнительного перепада давления за счет увеличения гидравлического сопротивления потоку промьшочной жидкости при закрытом состоянии клапана 18. При этом в циркуляционной линии буровых насосов возникает избыточное давление, которое незначительно выше номинального, т.е. раб-очего давления.

Задатчик 2 азимута отклонителя (фиг. 1 и 3) включает в себя фазочувствительный элемент 21, источник 22 света и асимметричную магнитнзто стрелку 23, Фоточувствительньм элемент 21 электрически связан с усилителем 24 постоянного тока, на выходе которого установлено электромагнитное реле 25. В зависимости от положения отклонителя по азимуту в процессе бурения задатчик 2 азимута осуществляет управление распределителем 14 путем коммутироваг ния напряжения от источника 4 питания через токовод 26 на катушку 27 или катушку 28.

Блок 3 датчиков азимута и зенитного угла скважины (фиг. 1 и 2) представляет собой кинематически связанную систему с контактным выходой и содержится в цельном корпусе 29. Основным элементом р блоке 3 датчиков является часовой механиз 30 е выходным валом 31, который в конце его винтовой нарезки ycTarfoBлен в подшипниковой опоре 32.

Датчик азимута скважины представляет собой ротор 33 в виде тела вращения со смещенным от оси вращения в радиальном направлении центром тяжести. Ротор 33 увтановлен в подшипниковых опорах 34 и 35. В верхнем торце ротора 33 установлена нижняя половина контакта 36 контроля азимута скважины. Верхняя половина этого контакта жестко укрепле- на на валу 31. В одной плоскости с ним на валу 31 укреплена и нижняя половина контакта 37 контроля отклонителя. Верхняя половина контакта 37 устанавливается в радиальной плоскости корпуса 29 в заданном направлении действия отклонителя.

Датчик зенитного угла скважины размещен в нижнем отсеке корпуса 29 и вьгаолнен в виде траверсы 38, которая консольно укрепленав подщипниковой опоре 39 с возможностью про9724

ворачивания. В торце траверсы 38 на оси 40 установлено коническое колесо 41, которое посредством шестерни 42 кинематически связано с ведзтп.ей шестерней 43, жестко связанной с валом 31. На свободном торце колеса 41 установлена контактная пластина 44, выполненная с возможностью замыкания контакта 45 наклона скважины, укрепленного жестко на траверсе 38 в 1тлоскости составленной осями 40 и 46. На оси 40 установлена вилка 47 с возможностью поворачивания на угол не менее 90 . В торце вилки 47 укреплен отвес 48. В плоскости, составленной осью 40 и центральной осью вилки 47 на боковой ее стенке, установлен контакт 49 ; вертикального направления, который также может замыкаться пластин&й 44. В верхней части блока 3 датчиков, размещены контакт 50 опроса азимута скважины и контакт .51 зенитного угла с возможностью замыкаться контактной пластиной 52, укрепленной на гайке 53. Последняя составляет винтовую пару с нарезной частью вала 31. Для линейного перемещения гайки 53 вдоль оси вала 31 и исключения ее вращательного движения на ней радиально укреплен кронштейн 54, которьй другим своим концом связан с направляющей 55.

Контакты 36,37,45, 49,50 и 51 конструктивно вьщолнены таким образом, что с учетом кинематических связей и воздействующих на них элементов (вала 31, колеса 41 и гайки . 53) они имеют различную по времени вьщержку включенного состояния. Этого можно достичь, например, при различной длине их контактной дорожки Естественно, это не воздействует на работу часового механизма 30, т.е. обороты вала 31 всегда сохра няются постоянными.

Контакт 50 опроса- азимута скважины должен иметь по времени такую вьщержку включенного состояния за счет скользящего перекрытия пластин ой 52, чтобы обеспечить не менее одного оборота вала 31, т.е. при этом необходимо иметь одно включение

контакта 36 контроля азимута скважины и два включения контакта 37 контроля отклонителя для получения замкнутого цикла опроса. S Контакт 51 опроса зенитного угла скважины должен иметь временную выдержку включенного состояния за счет скользящего перекрытия его пласти ной 52, чтобы обеспечить не менее одного оборота колеса 4t. При этом необходимо иметь одно включение контакта 49 вертикального направления и два включения контакта 45 на клоиа скважиюл также с целью получения замкнутого цикла опроса. В зависимости от желаемого количества опросов азимута и зенитного угла скважины в процессе отработки долота на забое можно установить последовательно несколько пар контактов 50 и 51t Устройство работает следзпощим образов. .; Перед спуском бурильной колонны задатчик 2 азимута отклонителя настраивается в нужном, т.е. заданном направлении бурения. В этом же направлении устанавливается откдонитель и верхндя половина контакта 37 контроля отклонителя в блоке датчиков. Включается часовой механизм 30 при этом гайка 52 устанавливается на некотором удалении от контактов 50 и 51 с расчетом включения их пластиной 52 через определенное вре мя, которое должно учитьшать время спуска инструмента и время первого контрольного замера азимута и зенит ного угла скважины по необходимости Производится настройка гидровключа теля 5 с учетом гидродинамического давления на забое для включения источника 4 питания. Осуществляется спуск инструмента с выполнением всех технологических приемов с достижением режимных па. раметров бурения. При отклонении пр водки скважины от заданного направления жестко связанная система фоточувствительный злемент 21 - источ ник 22 света смещается от северного направления магнитной стрелки 23. При этом световой поток от источника 22 света, свободно попадая на фоточувствительный элемент 21, вызывает в нем увеличение тока. Усиленный усилитель 24 постоянного тока сигнал включает электромагнитное реле 25, в результате чего замыкается нормально открытый контакт в цепи катушки 27, Это в свою очередь приводит к срабатыванию распре 72 6 делителя 14, и полость 8 пневмоцилиндра 7 соединяется с емкостью 15 сжатого воздуха. Шток 19 с клапаном 18 перемещается на перекрытие седла 17 датчика 6 гидроимпульсов. Одновременно воздух с полости.9 страв ливается в приемную емкость 16. При перекрытии проходного канала датчика 6 гидроимпульсов происходит увеличение давления в нагнетающей линии бурового Насоса, по которому судят о смещении положения отклонителя от заданного.(На фиг. 4а случай отхода отклонителя от заданного на- правления изображен графически избыточным давлением Р во времени Т). Восстановление Заданного положения отклонителя осуществляется путем проворота бурильной колонны ротором буровой установки. При этом магнитная стрелка 23 перекрывает световой поток.от источника 22 света на фоточувствительный элемент 21, что приводит к запиранию усилителя 24. Реле 25 выключается и катушка 27 обесточивается. Нормально закрытый контакт. Pjj« обеспечивает подачу питания на электромагнитную катушку 28, что приводит к переключению распределителя 14 и, как следствие, смещению клапана 18 на открытие седла 17, т.е. центрального проходного отверстия датчика 6 гидроимпульсов. JTaKoe состояние сохраняется до тех пор, пока положение отклонителя совпадает с заданным (фиг. 4q, номиналь- ное давление Р в нагнетающей линии буровых насосов во времени Т). . Измерениеазимута ствола скважи- ны в нужный момент бурения при совпадении положения отклонителя с заданным направлением производится следующим образом. В заданное время в блоке 3 датчиков пластина 52 перекрывает контакт 50, что означает начало опроса датчика азимута скважины. Первоначально выставленные в одной плоскости , верхняя половина контакта 37 и нижняя половина контакта 36 совпадают и их включение полуконтактами, жестко связанными с вращающимся валом 31, происходит одновременно. В случае несовпадения плоскости действия отклонителя и апсидальной плоскости скважины возникает смещение между половиной контакта 37 контроля отклонителя и нижней половиной контакта 36 контроля азимута скважины на угол между плоскостями. Нижняя половина контакта 36, находясь в диаметрально противоположной стороне центра тяжести ротора 33, всегда занимает положение в апсидальной плоскости скважины. Таким образом, при вращении вала 31 происходит поочередное замыкание контактов 37 и 36 с определен , ным сдвигом по времени, пропорциональным углу между апсидальной пло костью скважины и плоскостью действия отклонителя, т.е. заданным его направлением. . Плюс От истЧэчника 4 питания (фиг, 3) через замкнутый контакт гидровключателя 5 и, соответственно замкнутый контакт 50j а также поочередно включающиеся контакты 37 и 36 подаётся на реле 25, которое со стороны минуса запитано постоянно. В зависимости от длительности включенного положения контактов 37 и 36 реле 25, срабатывая, своими контактами Рцд и производит переключение катушек 27 и 28 распределител 14, что как следствие вызьгоает пе- ремещение клапана 18 к седлу 17 и держит его в закрытом положении с длительностью включенного состояния контактов 37 и 36. Закрытое положение клапана 18 вызывает импульсы давления в нагнетающей линии буровых насосов с изменением номинальнего РЛ значения давления до избыточного 7,, На фиг. 4S изображен график зависимости изменения давления во времени, где Т, - длитель|Ность гидроимпульса, получаемого от контакта 37 контроля отклонителя, Тл - длительность гидроимпульса от контакта 36 контроля азимута скважины. Время Т, между зтими импулвса ми определяет временную развертку измеряемого узла между апсидальной плоскостью скважины и плоскостью действия отклонителя, а время Тд соответствует полному, круговому цик лу опроса. Таким образом, имея.значение вре мени Т., а также времени Т, с;оответствующего круговому циклу, определяют угол между апсидальной плоскостью скважины и ш1оскЬстью действ отклонителя. Замер зенитного угла скважины производится следующим образом. В оЬределенное время в блоке 3 датчиков пластина 52 перекрывает контакт 51, что является началом опроса зенитного угла скважины. Колесо 41, равномерно вращаясь, поочередно производит включение контактов 45 и 49. В строго вертикальной скважине эти контакты занимают диаметрально противоположные положения по отношению к оси 40, В наклонном стволе скважины вилка 47 при воздействии отвеса 48, проворачивая траверсу 38, занимает вертикальное положение (вместе с ней и контакт 49). Таким образом, величина смещения контакта 49 по отношению к первоначальному его расположение (контакту 45, укрепленному на траверсе 38) и определяет зенитный угол ствола скважины в точке замера. Плюс от источника 4 питания (фиг. 3) через контакт гидровключателя 5, контакт 51, а также поочередно включенные контакты 45 и 49 подается на реле 25, как и при оп-росе азимута скважины. В зависимости- от длительности включенного положения контактов 45 и 49 реле 25, срабатывая, своими контактами Р и Р, производит переключение катушек 27 и 28 распределителя 14. Это, в свою очередь, вызьшает перемещение клапана 18 к седлу 17 и держит его в закрытом положении с длительностью включенного состояния контактов 45 и 49. На фиг. 46 изображен график зависимости изменения давления во времени, где Tj- - длительность гидроимпульса, получаемого от контакта 45 наклона скважины; Т длительность гидроимпульса от контакта 49 вертикального направления. Время Т-у между зтими импульсами определяет временную.развертку угла между направлением наклона скважины и вертикальным направлением, а время Тп соответствует полному кру-. говому циклуопроса. В вертикальной скважине импульс Т занимает сред нее положение времени Т,. Таким образом, учитывая предварительное расположение контактов 45 и 49, а также имея значения времени Т . между импульсами и Т-, соответствующее круговому циклу, определяют зенитный угол скважины. Рсширениё функциональных возможностей устройства за счет наличия. ,9 блока датчиков азимута и зенитного угла скважины способствует сокращению потерь времени на дополни- . тельные геофизические работы, связанные с контрольными замерами ази мута и. зенитного угла при нaпpaвлe ном бурении с целью предотвращения отклонений ствола скважины от проектного направления.Это, в свою о.чередь, нацелено на сохранение сетки разведки и разработки нефтяных месторождений. Осоебенно много времени теряется на геофизические работы при ориентировании отклонякицей компоновки в случае правки ствола скважины, т.е. когда ствол уходит от проектного направления н значительную величину-. При этом, применяя, предлагаемое устройство, существует возможность вообще не допустить подобного случая. Точность поддержания необходи мого положения отклонителя в непосредственном процессе бурения гарантируется конструктивным решением взаимосвязи задатчика азимута отклонителя и датчика азимута скважины, которые перед спуском бурильной колонны настраиваются в строго одном известном направлении Вместе с тем при установке отклонит1ел по определенному азимуту существуе возможность по отношению к данному углу по обе стороны расширить сектор срабатывания оптико-электронной схеьш. Например, это можно выполнить если взять сектор с утлом порядка 30 флажка, который укреплен с возможностью вращения На оси магнитной стрелки и служащий для перекрытия источника света от фото 2 чувствительного элемента в задатчике азимута отклонителя. В таком случае, по отношению к заданному положению отклонителя возможно внести коррекцию угла влево или вправо до.15 при необходимости поворотом бурильной колонны. На конкретный необходимый угол коррекции может указать датчик азимута скважины. Таким образом, используя датчик азимута скважины, возможно на первоначальном этапе бурения осуществить контроль заданного положения отклонителя по отношению к азимуту скважины, а также на определенном промежутке времени бурения внести коррекцию угла отклонителя до необходимого значения в соответствии с проектным профилем ствола скважины. Наличие )arчккa зенитного угла и его замеров позволяет уточнить соответствие компановки бурильной колонны с целью достижения необходимой интенсивности искривления определенного интервала ствола ркважиньи Применение предлагаемого устройства позволит за счет сокращения спускопбдъемных операций геофизической аппаратуры для ориентирования отклоняющей компановки и контрольных замеров пространственного положения ствола скважины сократить время проводки скважины и тем самым снизить ее стоимость. Использование предлагаемого устройства может найти широкое применение при бурении кустовым методом, распространенным при проводке скважин на месторождениях Севера и Даль него Востока СССР.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ОТКЛОНИТЕЛЯ, АЗИМУТА И ЗЕНИТНОГО УГЛА СКВАЖИНЫ ПРИ ТУРБИННОМ БУРЕНШ, содержащее корпус,, датчик азимута и зенитного угла, задатчик азимута отклонителя с релейным вь1ходом, автономный источник питания, канал связи, о т л и ч а ющ ё е с я тем, что, с целью повышения точности поддержания необходимого положения отклонителя в про- tfecce бурения, оно часовым .механизмом с выходным валом, датчик азимута выполнен в виде тела вращения со смещенный центром,тяжести и с контактной группой опроса и ;контроля азимута и отклонителя, включающей четыре полуконгакта,а датчик зенитного угла выполнен в ви;де консольно укрепленной в подшипниковой опоре, траверсы с размещенными на ее боковой стешсе контактами наклона скважины, а в торцевой ее части установлено коническое :колесо с жестко закрепленной на нем контактной пластиной и вилкой с отвесом и контактами опроса и контроля вертикального направления, при этом кони«1еское колесо кинематически связано с часовым .механизмом а конг такты наклона скважины и контроля вертикального направления злектрически соединены с контактом опроса датчика, причем контактная группа электрически связана с контактом опроса азимута, а два ее полуконтакта установлены на валу часового механизма, контакты опроса датчиков азимута и зенитного угла соединены с релейным выходом задатND чика азимута отклонителя. :о N9