Устройство измерения и передачи информации о частоте вращения забойного двигателя и осевой нагрузки на долото Советский патент 1990 года по МПК E21B47/12 E21B45/00 E21B47/18 

Изобрете1ше относится к горной промьшшенности и может ыть использовано для контроля забойных параметров в процессе бурения глубоких и сверхглубоютх скважин.

Цель изобретения - повышение точности измерения забойных параметров : и помехоустойчивости передачи результатов измерений по гидравлическому каналу связи, а также обеспечение перемеще1№ я частей корпуса одна относительно другой с минимальными по- тepямli на трение.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 - . схема забойного датчика-генератора.

Для переда ш информации о забойных параметрах по гидравлической инии связи использован комбинированный способ модуляции информационного сигнала, когда частота вращения забойного двигателя преобразуется в частоту следования гидравлических импульсов, а нагрузка на долото - в отношение амплитуд двух последовательных-импульсов. Такой способ кодирования информации позволяет повысить помехоустойчивость ее передачи по гидр.ав- лнческому каналу связи. Повьш1ение . точности измерения забойных парамет-, ров достигается за счет конструктивных особенностей датчика генератора, в частности за счет применения

0

)

0

3

0

ii

компенсатора деформации чувствительного элемента, позволяющего у стра- нить зависимость амплитуды информационных- импульсов давления от расхода бурового раствора.

Забойный генератор 1 возбуждает информационные сигналы в виде гидравлических импульсов давления, которые, распространяясь по столбу циркулирующего бурового раствора 2, достигают устья скважины и воспринимаются датчиком 3 давления, установленным на напорном манифольде буровых насосов.

Сигналы с выхода датчика 3 давления поступают на блок 4 приема и . обработки информации, к выводу которого подключены показывающие 5, 6 и регистрирующие 7 приборы.

Забойный генератор 1 содержит корпус, состоящий из двух частей: нижней 8 и верхней 9, связанньк между собой узлом 10 передачи крутящего момента, выполненного в виде шлице- ого.соединения с шариками между последним от забойного двигателя в колонне бурильных труб и тарированным чувствительным элементом 11. Нижняя часть 8 корпуса соединяется с забойным двигателем, а верхняя 9 - с колонной бурильных труб. Редуктор 13 генератора имеет входной вал 12, который сцепляется с помощью спехщального поводка с валом забойного двигателя (не показаны), а вькодной вал 14 редуктора связан с кулачковым механизмом 15, преобразующим вращательное движение вала 14 в возвратно-поступательное движение штока 16 с клапанами 17 и 18 относительно седпа 19, установленного неподвижно в нижней части 8 корпуса, и подвижного седла 20, связанного с компенсатором перемещения чувствительного элемента 11 от перепада давления на забойном двигателе. Компенсатор состоит из полого штока 21, соединенного с ним поршня 22 и упругого элемента 23, связывающего компенсатор с верхней частью 9 корпуса устройства.

Устройство работает следующим образом.

Вращение вала забойного двигателя через специальный поводок передается входному валу 12 редуктора 13. Шток 16 с расположенными на нем клапанами 17, 18 совершает возвратно-поступательные движения за счет кулачкового механизма 15, приводимого в действие выходным валом 14 редуктора 13. Клапаны 17, 18 периодически и поочередно частично перекрывают гидравлический канал в седлах 19, 20, при этом на забое создаются импульсы давления, которые распространяются по столбу промывочной жидкости.и достигают устья скважины.

Седло 19 жестко связано с нижней частью 8 корпуса устройства, а зазор между седлом и клапаном 17 в нижнем его положении подбирается так, чтобы при номинальном расходе бурового раствора обеспечить величину гидравлического импульса на уровне до 2,5 МПа (зазор приблизительно равен 3-3,5 мм), необходимом для уверенного его приема на устье скважины с глубины до 15000 м.

Максимальная частота следования импульсов (частота вращения выходного вала 14) подбирается также с .учетом характеристик гидравлического канала связи и должна быть не более 0,2 Гц, т.е., например, при максимальной частоте вращения вала забой- ного двигателя 20 Гц (1200 об/мин) передаточное отношение редуктора 13 олжно быть равно 100.

При такой конструкции устройста частота следования гидравлических;

158

5855066

импульсов прямо пропорциональна частоте вращения вала забойного двигателя.

Устройство имеет два регулируемых зазора А и Б для обеспечения возможности установки измерительного (чувствительного) элемента на величину проектной нагрузки с учетом допол- Q нительного осевого усилия от перепада давления на забойном двигателе при прокачке промывочной жидкости.

При этом за счет жесткости чувствительного элемента в ненагруженном 15 состоянии величина зазора В равна нулю (торцы соприкасаются). При подвеске под нижнюю часть корпуса забойного двигателя и других элементов компоновки низа и при прокачке npoNbi- 20 вочной жидкости за счет действия осевых усилий чувствительный элемент деформируется, зазор А уменьшается и )ia такую же величину увеличивается зазор Б. При подаче инструмента вниз 25 с нагрузкой Bbmie расчетного значения выбирается зазор Б, торцы сходятся и вся нагрузка, минуя чувствительный элемент, передается через корпус устройства. Аналогичная картина 30 наблюдается при ходе вверх, когда - выбирается зазор А и нагрузка пере-, дается через элементы корпуса.

Такая конструкция устройства позволяет рассчитывать чувствительный 2 элемент только на проектную нагрузку с учетом дополнительного осевого усилия от перепада давления на забойном двигателе и не выполнять его равнопрочным с другими элементами компо- Q новки низа бурильной колонны. Это . .позволяет существенно повысить точность измерения и обеспечить порог чувствительности измерительного канала до 10 кН.

д5 Клапан 18 и седло 20 предназначены для преобразования осевой нагрузки на долото (на корпус датчика- генератора) в информационный сигнал, осуществляемого следующим образом.- 50 При прокачке бурового раствора за счет перепада давления на забойном двигателе образуется направленное вниз осевое усилие, которое сжимает чувствительный упругий элемент 55 11. Зазор Б при этом увеличивается, что способствует сохранению амплитуды гидравлических импульсов и устра- нению ее зависимости от расхода бурового раствора.

Для исключения влияния изменяю- щегося перепада давления на забойном двигателе на зазор между клапаном 18 и седпом 20 конструкция данного устройства дополнена компенсатором, состоящим, из полого штока 21, порш11я 22 и упругого элемента 23.

Работа компенсатора основана на использовании осевого усилия, возни- JQ кающегр от перепада прокачиваемого бурового раствора внутри полого штока 21, Это осевое усилие сжимает упругий элемент 23 и седло 20 опускается.

Внутреннее сечение, дпина штока 21 и упругость элемента 23 подбира отся так, чтобы при любом расходе бурового раствора деформация элемента 23 (смещение .вниз седла 20), вызванная 20 перепадом давления внутри штока 21, всегда быпа бы равна деформации чувствительного элемента 11, вызванной перепадом давления на забойном двигателе. Таким образом, при любом рас- 25 ходе бурового раствора взаимное расположение клапана 18 и седла 20 не меняется и тем самым исключается влияние изменяющегося перепада давления на забойном двигателе на ампли- 30 туду и форму гидравлического сигнала.

При воздействии осевой нагрузки на долото (на корпус генератора), имеющей обратньй знак и меньшую величину по отноше1щю к осевому усилию от перепада давления на забойном двигателе, чувствительный элемент 11 разгружается, деформация его уменьшается, нижняя часть 8 корпуса приближается к верхней 9, уменьшаются 40 зазор Б .и зазор между клапаном 18 и седлом 20-, за счет чего возраста- ет а1-{плитуда гидравлического импульса. Таким образом, амплитуда гидравлического импульса, форми- 45 руемого парой 18, 20, функцио- нально связана с величиной осевой нагрузки йа долото.

Так как параметры гидравлического канала связи существенно изменяются , jO в зависимости от свойств бурового раствора, длины канала и других факторов, амплитуда гидравлических импульсов на устье скважины колеблется в широких пределах, поэтому для иск- re ючения ЭТНУ, влияний в данном устройтве осевая нагрузка кодируется от35

JQ 5

0 5 0

0 5

O e

5

ношением амплитуд последовательно следующих импульсов, формируемых клапанами 17 и 18.

Формула изобретения

1. Устройство измерения и передачи информации о частоте вращения забойного двигателя и осевой нагрузки |На долото, содержащее забойный геI

нератор, связанный с забойным двигателем, корпус, соединенный с колонной бурильных труб, в котором установлен забойный генератор со штоком, оснащенньм двумя клапанами, один из которых взаимодействует с неподвижным, а другой - с подвижным .седлами, и наземньй блок приема и обработки информации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения забойных параметров и поме хоустойчивости передачи результатов измерений по гидравлическому-каналу связи, в устройство введены узел передачи крутящего момента, чувствительный элемент и компенсатор перемещения чувствительного элемента, при этом корпус устройства состоит из двух частей, связанных между собой узлом передачи крутящего момента с возможностью осевого перемещения этих частей одна относительно Другой, один конец чувствительного элемента связан с верхней, а второй - с нижней частями корпуса, в последней размещены седла клапанов, верхняя часть корпуса содержит компенсатор перемещения чувствительного элемента от перепада давления на забойном двигателе, связанный с подвижным седпом.

2,Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью обеспечения перемещения частей корпуса одна относительно другой с минимальными потерями на трение, узел передачи крутящего момента выполнен в виде шпицевого соединения с установкой шариков между птицами.

3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что компенсатор выполнен в виде подпружиненного поршня с возможностью свободного перемещения по внутренней поверхности верхней части корпуса и жестко связан с подвижньм седлом.

4,

5 6

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для контроля забойных параметров в процессе бурения глубоких и сверхглубоких скважин. Цель - повышение точности измерения забойных параметров и помехоустойчивости передачи результатов измерений по гидравлическому каналу связи. Для этого в устройство включены узел 10 передачи крутящего момента, чувствительный элемент (ЧЭ) 11 и компенсатор деформации ЧЭ 11, содержащий полый шток 21, поршень 23, упругий элемент 22. Корпус забойного генератора 1 состоит из нижней 8 и верхней 9 частей. Часть 8 соединяется с забойным двигателем (ЗД), а часть 9 - с колонной бурильных труб. Входной вал 12 редуктора 13 генератора соединен с валом ЗД, выходной вал 14 - с кулачковым механизмом 15, управляющим движением штока 16 с клапанами 17 и 18 относительно неподвижного 19 и подвижного 20 седел. Вращение ЗД через редуктор 13 и кулачковый механизм 15 преобразуется в возвратно-поступательное движение штока 16. Расположенные на нем клапаны 17 и 18 периодически и поочередно перекрывают гидравлические каналы в седлах 19 и 20 и создают импульсы давления, распространяющиеся по каналу связи. Клапан 18 и седло 20 преобразуют в информационный сигнал осевую нагрузку (ОН) на долото. При увеличении ОН имеет обратный знак по отношению к осевому усилию от перепада давления на ЗД. Кроме того, уменьшается деформация ЧЭ 11, нижняя часть 8 корпуса приближается к верхней части 9. Зазор между клапаном 18 и седлом 20 возрастает. Увеличивается амплитуда импульса давления. Компенсатор деформации ЧЭ 11 устраняет зависимость амплитуды гидравлических импульсов от расхода бурового раствора. Частота следования импульсов давления соответствует частоте вращения ЗД, а отношение амплитуд соседних импульсов давления - величине ОН. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.