Устройство для контроля забойных параметров по гидравлическому каналу связи Советский патент 1992 года по МПК E21B47/12 E21B45/00 

рический сигнал, фильтра 6 высоких частот, полосовых фильтров 7 и 7, первого и второго интегратора 8 и 8, преобразователей 9 и 91 частоты в напряжение, блоков 10 и 10 выборки-хранения, третьего и четвертого интеграторов 11 и 11, первого и второго усилителей 12 и 121 с первым и вторым элементами уставок 13 и 131, третьего и четвертого усилителей 14 и 14 с третьим и четвертым элементами уставок 15 и 15 , логического блока 16, состоящего из первого ключа отрицательных 17, первого и второго ключа 18 и 19 положительных сигналов, первого и второго инверторов (элементов НЕ) 20 и 21, третьего .ключа 22 положительных сигналов,третьего инвертора 23, четвертого ключа 24 положительных сигналов, второго ключа 25 отрицательных сигналов, элементов 26-29 совпадения, а также индикаторов- 30-37.

В наземном блоке 2 имеются два идентичных канала определения амплитудных и частотных параметров импульсов давления, генерируемых забойным блоком 1 и выделяемых полосовыми фильтрами 7 и 7 , В каждом канале выход полосового фильтра 7(7 ) через интегратор 8(8) и блок 10(101) выборки-хранения соединен с первым входом усилителя 12(12), а через преобразователь 9(9) частоты в напряжение и интегратор 11(11)-с первым входом другого .усилителя 14(14). Вторые входы усилителей 12(12 ) и 14(14) соединены с элементами уставок 13(13 ) и 15(15), а их выходы - с четырьмя входами логического блока 1.6, выходы которого подключены к восьми индикаторам.

Забойный блок 1 (фиг. 2) включает муфту 38, соединенную с полым корпусом 39, в полости которого размещен подпружиненный поршень 40 с отверстиями 41 и уплот- нительным кольцом 42, соединенный со штоком 43, имеющим окна 44, втулку 45 с окнами 46, соединенную жестко с перегородкой 47, а телескопически - со штоком 43 таким образом, что сечение сообщения окон 46 и 44 минимальное, регулировочное кольцо 48, которое имеет резьбовое соединение с корпусом 39. Зазор между втулкой и штоком герметизирован уплотнительными кольцами 49 и 50. К другому концу корпуса 39 присоединен переходник 51, через квадратное центральное сечение которого проходит полый квадрат 52, соединенный одним концом с Поршнем 40, а другим - с переводником 53.

Устройство работает следующим образом.

Забойный 1 при сборке с помощью регулировочного кольца 48 настраивается на минимальную величину осевой нагрузки

на долото для заданного интервала бурения и включается в компоновку бурильного инструмента, а после спускается в скважину. Для этой цели на нижнем и верхнем концах имеются присоединительные муфта 38 и переводник 53.

Для настройки забойного блока на определенную величину осевой нагрузки используется тарировочная кривая пружины 54. В качестветарировочной кривой используется зависимость между нагрузкой, действующей на пружину, и ее перемещением, т.е. Р f(A). На основании этой кривой осуществляется настройка устройства на необходимую величину осевой нагрузки. Необходимая величина осевой нагрузки приводится в технологических режимных картах, в проекте на строительство скважины для каждого интервала. По величине осевой нагрузки Рмин определяется перемещение пружины А. Регулировочное кольцо 48 заворачивается на величину А. При этом пружина 54 сжимается на ту же

величину. Настройка забойного блока на этом завершается и осуществляется сборка устройства. Следует отметить, что при такой настройке устройство не воспринимает изменения осевой нагрузки меньше Рмин, т.е.

величина Рмин является минимальной осевой нагрузкой для этого интервала.

.В процессе бурения скважин по промывочной жидкости распространяются несколько видов импульсов давления (упругих

волн), которые имеют определенную часто-, ту и амплитуду. При динамическом взаимодействии долота с забоем возникают импульсы давления с частотой f 1 15-50 Гц, вызываем&е ударами шарошек о забой, и с

частотой h - 100-500 Гц, обусловленные ударами зубьед шарошек о забой. Амплитуда и частота этих импульсов давления зависят от типоразмера долот, физико-механических свойств породы и параметров

режима бурения и передаются от забоя к устью скважины. При взаимодействии долота с забоем увеличение осевой нагрузки и твердости породы способствует возрастанию амплитуды этих импульсов и наоборот.

Уменьшение амплитуды импульсов давления может наблюдаться также по ме ре износа вооружения долота.

|Јроме этого по столбу жидкости от устья к забою скважины передаются импульсы

давления с частотой тз 0,9-1,0 Гц, вызываемые работой насоса.

Процесс формирования импульсов давления забойным блоком 1 осуществляется следующим образом.

На поршень 40 по направлению снизу вверх действует сила, пропорциональная осевой нагрузке на долото, которая перемещает его. Под действием этой силы сжимается пружина 54, перемещение которой равно перемещению поршня 40. При этом на эту же величину перемещается шток 43, жестко соединенный с поршнем 40. Сечение сообщающихся окон 46 и 44 увеличивается. Увеличение сообщающихся сечений окон 46 и 44 на втулке 45 и штоке 43 соответственно способствует возрастанию потока промывочной жидкости через них. В результате уменьшения гидравлического сопротивления потоку промывочной жидко- сти давление в нагнетательной линии паДа-г ет, т.е. создается отрицательный импульс давления. Импульс давления передается по столбу жидкости в бурильной колонне к.устью скважины и воспринимается с помощью преобразователя 3 давления в электрический сигнал, установленного на стояке. Уменьшение осевой нагрузки способствует уменьшению сечений сообщающихся окон 46 и 44. При этом увеличивается гидравли- ческое сопротивление потоку промывочной жидкости, т.е. создается положительный импульс давления и наблюдается повышение давления в нагнетательной линии. Таким образом перемещение поршня 40 зависит от изменения величины сил, действующих на него в результате взаимодёйст- вия долота с забоем.

Наличие над долотом забойного блока, который связан с колонной труб через упру- гий элемент, позволяет сглаживать колебания бурильной колонны, а значит, и помехи от ее вибрации. Таким образом создаются благоприятные условия для прохождения отрицательного импульса давления по буро- вому раствору.

Перемещение долота вдоль своей Otcn обусловлено контактом его с забоем, а импульсы давления формируются в забойном блоке. Таким образом забойный блок необ- ходим для формирования импульсов, получения достоверной информации об изменении механических свойств горных пород, а также для регулирования осевой нагрузки на долото. Наличие забойного блока меняет полярность передаваемых импульсов давления. Так увеличение твердости породы преобразователем 3 вое принимается в виде уменьшения амплитуды, а отрицательные импульсы давления распространяются по столбу жидкости с меньшим затуханием, что повышает достоверность получаемой информации.

При взаимодействии долота с породой определенной твердости сечение сообщающихся окон колеблется в пределах, зависящих от углубления шарошки в породу, и равно Si. При увеличении твердости породы отскакивание долота от забоя происходит с большей амплитудой, сечение окон увеличивается и становится равным $2, т.е. Sz 81. Пружина же 54 стремится вернуть поршень 40 в исходное состояние. При следующем ударе шарошки о забой происходит повторение перемещения сообщающихся окон до получения сечения $2 и так до тех пор, пока твердость породы не изменится. Таким об-- разом при увеличении твердости породы увеличивается перемещение поршня, что приводит к увеличению сечения и, как следствие, уменьшению давления, которое вос- принимается на устье скважины как отрицательный импульс.

Суммарный размах продольных колебаний по мере износа вооружения долота уменьшается. Это происходит и при переходе от твердой породы к мягкой. Суммарный размах продольных колебаний возрастает с увеличением твердости породы и уменьшается по мере износа вооружения долота.

Сигнал, пропорциональный амплитуде импульса давления и имеющий определенную частоту, с выхода преобразователя 3 поступает на вход предварительного усилителя 4. С его выхода сигнал после предварительного усиления поступает на вход фильтра 6 высоких частот для задержки частот, создаваемых буровыми насосами (тз 0,9-1,0 Гц). Выходной сигнал от фильтра 6 поступает на входы полосовых фильтров -7 и 7 для выделения частот, создаваемых шарошками долот (fi 15-50 Гц) и зубьями шарошек (f2 100-500 Гц). Выходные сигналы фильтров 7 и 7 анализируются по частоте и амплитуде параллельно. Импульсы, обусловленные ударами шарошек о забой с фильтра 7 через интегратор 8 поступают на вход блока 10 выборки-хранения, а также через преобразователь 9 частоты в напряжение поступают на вход интегратора 11, с выхода которого поступают на усилитель 14.

При установившемся режиме бурения по показаниям индикаторов 30 и 33 с помощью элементов уставок 13 и 15 на выходе в нулевое положение устанавливаются усилители 12 и 14. С преобразователя 5 за каждый оборот бурильного инструмента вокруг оси выдается один разрешающий сигнал на блок 10 выборки-хранения для запоминания аналогового сигнала, который в последующем поступает на вход усилителя 12. Выходные сигналы усилителей 12 и 14 поступают в логический блок 16 для дальнейшего анализа. Дальнейшее изменение выходного

сигнала усилителей произойдет при изменении контролируемых параметров.

Амплитуда и частота сигналов, создаваемых зубьями шарошек в процессе бурения, аналогичным путем анализируется на элементах 7 -15f, 32 и 34.

При заклинивании шарошек долот интегрированная амплитуда и частота сигналов, создаваемых шарошками долот, уменьшается. На выходе усилителей 12 и 14 появляются положительные аналоговые сигналы, которые индицируются индикаторами 30 и 33. Через ключи 18 и 19 на двух входах четырехвходового элемента совпадения 26 появляются логические единицы. Отклонение стрелок индикаторов и выработанные логические единицы свидетельствуют о начале заклинки. Для подтверждения этой информации анализируются.выходные сигналы усилителей 12 и 14 . При заклинке шарощек долот на выходах усилитрлей 12 и 14 появляются положительные уровни аналоговых сигналов, которые индицируются индикаторами 32 и 34. При этом через ключи 22 и 24 на двух остальных входах элемента 26 появляются логические единицы и на выходе включается индикатор 31 (заклинка). При бурении трехшарошечным долотом вследствие заклинки одной шарошки индикаторы 30 и 33 изменят (увеличат) свои показания на одну треть части шкалы, при заклинке двух шарошек - на две трети части шкалы, что показывает об уменьшении частоты, обусловленной ударами шарошек о забой на ЗЗ и 66%.

Для определения износа зубьев шарошек анализируется амплитудное и частот- .ное значение сигналов, создаваемых зубьями шарошек, и амплитудное значение сигналов, создаваемых шарошками долот. Если амплитудное значение и частота сигналов, создаваемых зубьями шарошек уменьшилась, а амплитуда сигнала, создаваемого шарошками долот, не уменьшилась, то это свидетельствует об износе зубьев шарошек. При таких условиях на выходах усилителей 12 и 14 появляется положительный уровень сигнала, который через ключи 22 и 24 поступает на входы элемента 27 совпадения. Так как амплитуда сигнала, создаваемого шарошками, .не изменилась, логический ноль с выхода ключа ,18 через инвертор 21 поступает на третий вход элемента 27 логической единицей. В результате на выходе элемента 27 совпадения включается индикатор 37 (износ). По показаниям индикатора 34 определяется степень износа, индикатора 32 - поломка зубьев шарошек.

Свойство новой вскрытой породы определяется следующим образом. Если новая вскрытая порода твердая, то амплитуда сигналов, создаваемых шарошками долот и

зубьями шарошек, увеличивается, на выходе усилителей 12 и 12 появляются отрицательные-уровни сигналов и через ключи .17 и 25 эти сигналы поступают на два входа элемента 29 совпадения логическими единицами, Для повышения достоверности распознавания ситуаций дополнительно анализируются сигналы об изменении частот. При определении свойства породы частота не изменяется и выходы усилителей 14

и 14 имеют нулевые значения. Тогда с выхода ключей 19 и 22 логический ноль через инверторы 20 и 23 поступает на другие входы элементов совпадения 28 и 29 логическими единицами. На два остальных входа

элемента 28 совпадения логические единицы поступают в случае вскрытия мягкой породы, когда амплитудные значения сигналов, создаваемых шарошками и зубьями, уменьшаются и на выходе элементов 12

и 12 появляются положительные уровни сигналов, которые через ключи 18 и 24 подаются на вход элемента 28 совпадения. При вскрытии твердой породы включается индикатор 36 (твердая порода), при вскрытии

мягкой породы - индикатор 35 (мягкая порода).

Таким образом применение устройства обеспечивает возможность получения информации для оценки свойств породы в процессе разбуривания, контролировать изменение осевой нагрузки, оценить степень износа долота.

40

Формула изобретения

Устройство для контроля забойных параметров по гидравлическому каналу связи, состоящее из забойного блока, содержащего муфту, соединенную с полым корпусом с

5 уплотнительным кольцом, к другому концу корпуса присоединен переходник, который через полый квадрат соединен с переводником, а также наземного блока, содержащего преобразователь давления в электрический

0 сигнал, выход которого через предварительный усилитель подключен к входу фильтра высоких частот, ключ положительных си/на- лов и ключ отрицательных сигналов, о и- чающееся тем, что, с целью расширения

5 функциональных возможностей за счет контроля забойных параметров при роторном бурении, забойный блок снабжен подпружиненным поршнем с отверстиями, перегородкой, втулкой с окнами, регулировочным кольцом,уплотнительными кольцами и штоком с окнами, а наземный блок снабжен преобразователем оборотов ротора в электрический сигнал, двумя полосовыми фильтрами, четырьмя интеграторами, двумя преобразователями частоты в напряжение, двумя блоками выборки-хранения, четырьмя усилителями, четырьмя элементами уставок, вторым ключом отрицательных сигналов, вторым, третьим и четвертым ключом положительных сигналов, тремя инверторами, четырьмя элементами совпадения и восьмью индикаторами, при этом в забойном блоке поперек оси муфты жестко закреплена перегородка, которая жес тко соединена с втулкой с окнами, внутри корпуса размещен подпружиненный поршень, который жестко соединен со штоком с окнами, регулировочное кольцо имеет резьбовое соединение с корпусом, причем пружина расположёна вдоль оси корпуса между поршнем и регулировочным кольцом, а втулка с окнами с штоком с окнами соединены телескопически через уплотнительные кольца и имеют минимальное сечение сообщения окон, в наземном блоке выход фильтра высоких частот через первый и второй полосовые фильтры подключен соответственно к входам первых интегратора и преобразователя частоты в напряжение и к входам .вторых интегратора и преобразователя частоты в напряжение, выход первого и второго интегратора через соответствующий блок выборки-хранения подключен к первому входу первого и второго усилителя соответственно, выход первого и второго преобразовате- ля частоты в напряжение через соответственно третий и четвертый интегратор соединен с первым входом третьего и четвертого усилителя соответственно, выход преобразователя оборотов ротора в электрический сигнал подключен к управляющим входам первого и второго блоков выборки-хранения, а выход четырех элементов уставки соединен с вторым входом соответствующего усилителя, выход первого усилителя подключен к входам первых индикатора, ключа положительных и ключа от5 рицательных сигналов, выход второго ключа положительных сигналов соединен с входом первого элемента НЕ и с первым входом первого элемента совпадения, выход которого подключен к второму индикатору,

0 выход первого ключа положительных сигналов через второй элемент НЕ соединен с первым входом второго элемента совпадения, а непосредственно - с вторым входом первого и первым входом третьего элемента

5 совпадения, выход первого ключа отрицательных сигналов подключен к первому входу четвертого элемента совпадения, выход второго усилителя соединен с входом третьего индикатора, с входами второго ключа

0 отрицательных и четвертого ключа положительных сигналов, выход третьего усилителя соединен с входами второго ключа положительных сигналов и четвертого индикатора, выход четвертого усилителя соединен с вхо5 дами пятого индикатора и третьего ключа

положительных сигналов-, выход которого подключен к второму входу второго и третьему входу первого элемента совпадения, а через третий элемент НЕ - к вторым входам

0 третьего и четвертого элементов совпадения, выходы которых соединены с шестым и седьмым индикаторами-соответственно, причем выход четвертого ключа положительных сигналов соединен с четвертым

5 входом первого и с третьими входами второго и третьего элементов совпадения, выход второго ключа отрицательных сигналов соединен с третьим входом четвертого элемента совпадения, выход первого элемента

0 НЕ - с четвертыми входами третьего и четвертого элементов совпадения, а выход второго элемента совпадения подключен к входу восьмого индикатора.

Изобретение относится к бурению скважин и позволяет расширить функциональ- ные возможности за счет контроля забойных параметров при роторном бурении. В устройстве забойный блок 1 в зависимости ,от механических свойств бурильных пород и состояния долота форИзобретение относится к бурению глубоких скважин и может быть использовано для контроля забойных параметров в прй- цессе бурения на основе информации, получаемой по гидравлическому каналу связи. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устроит ства за счет контроля забойных параметров при роторном бурении. На фиг. 1 представлена схема устройства контроля забойных параметров по гидмирует импульсы давления промывочной жидкости определенной амплитуды и частоты. Импульсы регистрируются на поверхности преобразователем 3 давления в электрический сигнал и поступают в наземный блок 2. Здесь сигнал усиливается предварительным усилителем 4 и в фильтре 6 высоких частот очищается от помех буровых насосов. Сигнал с фильтра 6 поступает на входы полосовых фильтров.7 и 71 для выделения частот, создаваемых зубьями .шарошек долот и самими шарошками. При амплитудном анализе сигнал с фильтра 7 через интегратор 8 и блок 10 выборки-хранения поступает на вход усилителя 12. При анализе частоты сигнал с фильтра 7 через преобразователь 9 частоты в напряжение и интегратор 11 поступает на вход усилителя 14. Элементы уставок 13 и 15 служат для установки нулевых сигналов на выходе усилителей 12 и 14 в установившемся режиме бурения. Аналогичным образом осуществляется обработка сигнала и во втором канале. ра лическому каналу связи; на фиг. 2 - забойный блок устройства. Устройство для контроля забойных параметров по гидравлическому каналу связи состоит из забойного блока 1, модулирующего импульсы давления промывочной жидкости и наземного приемного блока 2. воспринимающего эти импульсы. Наземный блок 2 состоит из преобразователя 3 давления в электрический сигнал, предварительного усилителя 4, преобразователя 5 оборотов роторного стола в электLO VI О Ю N3