Автономный инклинометр Советский патент 1990 года по МПК E21B47/02 

Изобретение относится к бурению нефтяных, газовых и геологоразведочных глубоких и сверхглубоких скважин, а именно к техническим средствам контроля пространственного положения ствола скважины в процессе бу- . рения.

Цель изобретения - повышение точности измерения и надежности работы.

На фиг о 1 показан автономный инклинометр; на фиг.2 - шкала, вид со стороны нижней части поплавка.

Автономный инклинометр содержит корпус 1, в котором размещены измерительный элемент в виде шарика 2, съемного носителя информации и магнитной стрелки, стальная нить 3 с поплавком 4 и подпружиненный относительно корпуса 1 пружиной 5 прижимной элемент 6, установленный с возможностью взаимодействия с гидро- толкателями 7, размещенными вне корпуса 1 (показан один гидротолкатель). Нижняя поверхность поплавка 4 выполнена в виде выпуклого сферического сегмента, а носитель информации - в виде сферической шкалы 8, изготовленной из мягкого тонколистового материала (например, алюминия) и установленной в нижней части поплавка 4, Корпус 1 заполнен двумя несмешиваю- щимися жидкостями с разной плотностью, а поплавок, в котором выполнено коническое отверстие А, погружен в эти две жидкости и размещен между прижимным элементом 6 и носителем информации (шкалой 8) с возможностью свободного перемещения относительно нити 3. Магнитная стрелка выполнена в виде двух постоянных магнитов 9, диаметрально противоположно закрепленных на поплавке 4. Шарик 2 выполнен из немагнитного материала и размещен с возможностью свободного

перемещения на вогнутой сфер ической поверхности диска 10, Нить 3, выполненная, например, из вольфрама, размещена соосно в корпусе 1 и связана с ним посредством пружины 11. С при-

жимным элементом 6 жестко связан шток 12 с уплотнительной манжетой 13. В гидротолкателях 7 выполнены разные по площади проходные отверстия Б, тарированные на различный

расход бурового раствора. Для посадки гидротолкателя 7 на шток 12 служит втулка-ловитель 14. Для присоединения автономного инклинометра к низу бурильной колонки служит контейнер 15 и переводник 16. Метки 17 и 18 на шкале 8 (фиг,2) соответствуют расположению магнитов 9 на поплавке 4,

Вес детали и элементы автономного

инклинометра изготовлены из немагнитных материалов.

Масса поплавка 4 в сборе и плотности жидкостей рассчитываются так, чтобы граница В раздела жидкостей

совпала или была близка к горизонтальной плоскости, делящей поплавок на две половины.

Масса погруженного в жидкости поплавка 4 равна сумме масс вытесненных

им жидкостей, каждая из которых имеет объем, равный или близкий половине объема поплавка 4, т.е.

М М + М г - п Ж , г 2

Vn

Г + Г 1 2 «г

- Г )О)

где М п масса поплавка в сборе;

515

M , М - массы соответственно легкой 1

и тяжелой жидкостей, вытес-ч

ненных поплавком; Vn - объем поплавка; т и у - плотности соответственно

легкой и тяжелой жидкостей.

При выполнении условия (1) гаран- тируется устойчивая плавучесть поплав ка 4 и среднее его положение относи- тельно границы В раздела жидкостей, при изменениях плотностей как самого материала поплавка 4, так и жидкостей, вызванных изменяющимися в широком диапазоне термобарическими уело- виями работы инклинометра в скважине.

В качестве легкой и тяжелой жидкостей могут быть использованы, например, трансформаторное масло плотностью 0,88 г/см и глицерин плотное- тью 1,25 г/см3.

Для принятой конструкций поплавка 4 диаметром 100 мм, высотой 25 мм по оси и радиусом 150 мм сферических поверхностей, рассчитанным на измере- ние зенитного угла до 20°, объем поплавка 4 равен 150 см5,

.Учитывая, что поплавок должен быть погружен в глицерин на половину своего объема в соответствии с фор- мулой (1), масса поплавка равна Мп 160 г.

Масса М г и объем V-ft поплавка складываются из масс и объемов материала, из которого изготовлен поплавок, маг- НИТОБ 9 и шкалы 8 (фиг,,1)

м М+ М + М

пп мат 11« шк

V

+ V,, + Vu

Vn v маг -г VM -г ушк, где Ммат, №ми Мшк массы соответст- 40

v «л

венно материала, магнитов и шкалы; V. и Ушк- объемы соответственно материала, магнитов и шкалы, 45

В качестве магнитов предлагается использовать термостойкие постоянные магниты из редкоземельного металла SmCOj (самарийкобальт пять) с высокой магнитной энергией, диаметром 10 мм, высотой 6 мм, массой 8 г и объемом

0,5 см каждый. Шкала 8, изготовленная из листового алюминия толщиной 0S5 мм,хпри выбранных размерах будет массу 11 г и объем 4 см ,

Таким образом, масса и объем материала поплавка должны быть равны:

32

М

млт

. Мп- Мм- Мшк ИЗ г;

VM«T Vn - VM- V 145 см3.

Следовательно плотность f #& материала поплавка должна быть равна

0,92 г/см5.

,„ М„ /V,

/иол- маг

С такой плотностью предлагается выбрать полиэтилен, а для повышения термомеханических свойств его необходимо обработать радиационным методом.

Автономный инклинометр работает следующим образом.

При наклоне прибора шарик 2 под действием силы тяжести откатывается от оси на расстояние, соответствующее углу наклона (зенитному углу искривления скважины), при этом цен шарика лежит на вертикали, проходящей через центр сферической поверхности диска 10.

Радиус R этой поверхности определяется из условия

R r/sin /,

где г - радиус диска 10;

о - верхний предел измерения зенитного угла искривления скважины.

Такой же радиус должна иметь сферическая шкала 8, установленная на поплавке 4,

Поплавок 4 находится на границе В раздела жидкостей в горизонтальном положении под углом к оси корпуса 1 (нити 3), равным углу наклона инклинометра (зенитному углу искривления скважины). Нить 3, предназначенная для центрирования поплавка в корпусе 1, свободно продета через отверстие А в поплавке. Это отверстие выполнено коническим, чтобы при наклоне инклинометра нить не мешала свободному перемещению (вращению) поплавка по отношению к ней при установке его по горизонту и азимуту, а также при проведении измерений. Диаметр отверстия А в вершине конуса (в шкале 8) должен быть несколько больше диаметра нити. Например, если диаметр нити равен 0,3 мм, то от- верстие в шкале следует выбрать рав-1 ным 0,5 мм. Таким образом, в данной конструкции центр шкалы 8 всегда сов падает с осью корпуса.

1

Поплавок 4, находясь в горизонтальном положении, при взаимодействии земного магнитного поля с полями постоянных магнитов 9 ориентируется по азимуту, т.е. ведет себя подобно магнитной стрелке компаса.

Регистрация параметров в автоном-. ном инклинометре осуществляется следующим образом. В момент, когда не- обходимо зафиксировать зенитный угол и азимут искривления скважины, в колонну бурильных труб опускается гидротолкатель 7 и затем восстанавливается циркуляция бурового раствора. Гидротолкатель под собственным весом и увлекаемый потоком бурового раствора транспортируется к установленному в нижней части колонны бурильных труб автономному инклинометру, входит в отверстие втулки-ловителя 14 и упирается своим нижним концом в торец штока 12,

Так как площадь проходных отверс- тий Б в гидротолкателе 7 меньше площади проходного отверстия бурильных труб, то при посадке гидротолкателя во втулку-ловитель 14 образуется гидроудар, вызывающий появление силы, под действием которой шток 12 опускается, преодолевая усилие сжатия пружины 5, Прижимной элемент 6, связанный со штоком 12, увлекает за собой поплавок 4 и прижимает его к шарику 2, На шкале 8 образуется метка в виде вмятины Г (фиг,2) от шарика 2 по расположению которой определяют зенитный угол (о) и азимут () искривления скважины.

Глубина (площадь) вмятины зависит от усилия прижатия поплавка 4 к ша- ряку 2, т.е. от площади проходных отверстий Б, расхода бурового раствора и усилия сжатия пружины 5,

Когда действие гидроудара прекратится, пружина 5 возвращает шток 12 с прижимным элементом 6 в исходное положение, поплавок 4 освобождается и всплывает, так как он был погружен в тяжелую жидкость с плотностью 2 инклинометр готов к следующему измерению,

В.случае необходимости измерения в другой точке ствола скважины операцию повторяют, опуская второй гид- ротолкатель с отверстиями Б, имеющими большую или меньшую, чем у первого гидротолкателя, площадь,

15

0

591

5

5

40

45

50

328

При этом вторая метка Д, соответствующая зенитному углу о(г и азимуту рг на шкале 8 (фиг.2), отличается от первой глубиной (площадью) вмятины.

Для второго гидротолкателя в конструкции инклинометра предусмотрена своя втулка-ловитель, и он при посадке упирается в верхний торец первого гидротолкателя 7 (второй гидротолкатель со своей втулкой-ловителем не показаны).

Считывание показаний производится после подъема с забоя скважины и разборки инклинометра, В очередном рейсе бурильного инструмента устанавливается новая сменная шкала 8 на поплавке 4,

Изобретение позволяет повысить точность измерения и надежность работы инклинометра по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

1, Автономный инклинометр, содер жащий заполненный жидкостью корпус, в котором размещены измерительный элемент в виде шарика, съемного носителя информации и магнитной стрел-- ки, стальная нить с поплавком, и подпружиненный относительно корпуса при жимной элемент, установленный с возможностью взаимодействия с. гидротол- кателями, размещенными вне корпуса, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и надежности работы, корпус заполнен двумя несмешивающимися жидкостями с разной плотностью, а поплавок, нижняя поверхность которого выполнена в виде выпуклого сферического сегмента, погружен в две несмешивающиеся жидкости и размещен между прижимным элементом и носителем информации с возможностью свободного перемещения относительно нити, размещенной соос- но в корпусе и связанной с ним, при этом магнитная стрелка выполнена в виде двух постоянных магнитов, диаметрально противоположно закрепленных на поплавке, носитель информации - в виде сферической шкалы, установленной в нижней части поплавкаs а в гидротолк.ателях выполнены разные по площади проходные отверстия, тарированные на различный расход вого раствора.

91

2. Инклинометр по п.1, о т л и- чающийся тем, что масса погруженного в жидкости поплавка равна сумме масс вытесненных им жидкостей, каждая из которых имеет объем, рав

10

ный или близкий половине объема поплавка.

3. Инклинометр по п,1, отличающийся тем, что нить связана с корпусом посредством пружины.

Изобретение относится к технике бурения и предназначено для контроля пространственного положения ствола скважины. Цель - повышение точности измерения и надежности работы. В корпусе /К/ 1 размещены измерительный элемент /Э/, стальная нить 3 с поплавком /П/ 4 и подпружиненный относительно К 1 прижимной Э 6. Измерительный Э выполнен в виде шарика 2, съемного носителя информации в виде сферической шкалы 8 и магнитной стрелки в виде двух постоянных магнитов 9. Прижимной Э 6 установлен с возможностью взаимодействия с гидротолкателями 7, размещенными вне К 1. Нижняя поверхность П 4 выполнена в виде сферического сегмента, а шкала 8 установлена в нижней части П 4. При этом К 1 заполнен двумя несмешивающимися жидкостями с разной плотностью. В эти жидкости погружен П 4 и размещен между Э 6 и шкалой 8 с возможностью свободного перемещения относительно нити 3. Магниты 9 диаметрально противоположно закреплены на П 4, а нить 3 размещена соосно с К 1 и связана с ним посредством пружины 11. В гидротолкателях 7 выполнены разные по площади проходные отверстия "Б", тарированные на различный расход бурового раствора. В момент измерения Э 6 прижимает П 4 к шарику 2. По отпечаткам на шкале 8 определяют азимут и зенитный угол. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Редактор О.Юрковецкая

Составитель А.Цветков

Техред М.Моргентал Корректор М.Кучерявая

Заказ 1859

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

С ей ер

Г

Фиг..

Тираж 487

Подписное