Аппаратура для получения данных в процессе бурения Советский патент 1981 года по МПК G01V1/42 G01V1/52 

(54) АППАРАТУРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДАННЫХ В ПРОЦЕССЕ Изобретение относится к устройствам для геофизических исследований скважин в процессе бурения и может быть использовано при разведке нефтяных и газовых месторождений, а также в нефтяной и газовой промышлен ности. Известна аппаратура для каротажа скважин в процессе бурения, содержащая две электромагнитные муфты, смон тированные в нижней части бурильной колонны и питаемые с поверхности зем ли пульсирующим током от прерывателя установленные на поверхности земли приемники упругих колебаний, усилите и регистратор 1J. Известна аппаратура для получения .данных в процессе бурения, содержащая источник упругих колебаний, размещенный в забое скважины в виде долота или гидродинамической сирены размещенные на дневной поверхности сейсмодатчики, соединенные через переключатели с сейсмоусилителями и фильтргиди, коррелятор и индикатор сигналов 2. Известна также аппаратура для получения данных в процессе бурения, содержащая источник упругих колебаний в виде бурового инструмента, раз БУРЕНИЯ мещенные на поверхности земли г/-эфо-ны, подключенные к усилителю сигна- . лов и регистратору 31. Недостатками данных аппаратур является их малая точность вследствие большой широкополоености источника упругих волн, перекрытия частотных полос полезных сигналов и помех, зависимости ширины приемной диаграммы направленности геофонов от частоты, пропадание сигналов при останове бурового инструмента, неравномерности спектра генерируемых сигналов (шумов) , и неточность получаеьвлх данных и надежность приема сигналов из забоя вследствие ненаправленности геофонов. Цель изобретения - увеличение точности получаемых данных в;процессе бурения и горных,породах. Указанная цель достигается тем, что в аппаратуре; содержащей забойный источник упругих колебаний, раз 1ещенные на поверхности земли геофоны, подключенные к усилителю сигНс1лов и регистратору, источник упруги колебаний выполнен гармоническим с. постоянной частотой и снабжен модулятором амплитуды, выполненным в виде клапана, движения которого пропорциональны величине измеряемого параметр а именно, числу оборотов бурового ин струмента, геофоны размещены по ради усу от центра скважины параллельно включенными группами на расстояниях друг от друга, равных половине длины продольной волны в горной породе на частоте источника гармонических колебаний и подсоединены к усилителю сигналов через введенный блок поворо та луча диаграммы направленности, выход усилителя подключен к введенным и последовательно соединенным пе рестраиваемому полосовому фильтру, детектору и частотомеру, выход котор го подключен к регистратору, источни гармонических колебаний выполнен мно гочастотным в виде стабилизированных по частоте сирен или гидродинамическ генераторов на основе использования резонанс.ных стержней или пластин, ге фоны подсоединены между собой после довательно и противофазно, причем выход каждого геофона подсоединен к переключателю. На чертеже приведена блок-схема аппаратуры для получения данных в процессе бурения. Аппаратура для получения данных в процессе бурения содержит две основные части: забойную и наземную. В массиве 1 выполнена скважина 2. В колонну 3 бурильных труб под давле нием Р подается буровой раствор. На конце колонны размещен буровой турбодвигатель 4 , одна из нижних ступеней которого выполнена в виде клапана 5, представляющего собой секторную заслонку с углом 180, насаженную на вращающийся вал. Другой такой же сектор закреплен на корпусе турбодвигателя. В отверстии вала закреплен пластинчатый или стержневой гидродинамический генератор 6, частота которого постоянная и зависит от материала, из которого выполнен стержень или пластина, их продольных и поперечных размеров и свойств бурового раствора. Возможен вариант выполнения на этом же валу генератора в виде сирены, вращающейся с определенным числом оборотов и числом перепускных отверстий. Это достигается за счет установки .д ополнительного стабилизатора, например центробежного числа оборотов и свободного вращения ротора сирены. Выполнение пластин и стержней с различными геометрическими размерами или сирен с различным числом перепускных окон позволяет получить полихроматический источник упругих волн, спектр которого стабилен во времени и не зависит от условий работы долота 7. На дневной поверхности установлены по радиусу от центра скважины параллельно включенными группами на рассто яниях друг от друга, равных половине длины продольной волны в горной породе на частоте источника гармонических колебаний геофоны 8-12. Выводы геофонов, как это видно из чертежа, соединены между собой последовательно и противофазно, что дает возможность сформировать луч 13 диаграммы направленности. Выход каждого геофона подпаян к клемме переключателя 14 блока поворота диаграммы направленности. Вывод геофона 12 и выход переключателя 14 подключены ко входу усилителя 15, выход которого через последовательно соединенные перестраиваемый полосовой фильтр 16, детектор 17 сиг- налов и частотомер 18 подключен к регистратору 19. Аппаратура для получения данных в процессе бурения работает следующим .образом. В режиме измерения технологических параметров, например, числа оборотов долота турбобура достаточно, чтобы генератор б осуществлял излучение сигналов всего на одной частоте. Поэтому он содержит пластины (стержни, сирены), настроенные на одну частоту, что дает одновременно возможность получения большей акустической мощности и обеспечивает работоспособность . аппаратуры на более глубоких скважинах. При подаче бурового раствора в колонну 3 последний приводит во вращение турбодвигатель 4 и клапан 5, создающий при каждом обороте вгша модуляцию давления в гидросистеме глубиной около 90-100%. Выходное давление бурового раствора турбодйигателя 4 и клапана 5 возбуждает генератор 6, который излучает в пространство сферические акустические волны, промодулированные клапаном 5. Эти волны, распространяясь по толще горных пород массива 1, достигают геофонов 8-12, которые преобразуют колебательные скорости или акустические давления этих колебаний в электрическое напряжение с полярностью или фазами, соответствующими чертежу. Последовательное и противофазное включение геофонов дает возможность просто реализовать блок поворота луча диаг)аммы направленности,который в данном случае вырождается.всего лишь в один переключатель, коммутирукидий число включенных геофонов. При больших значениях 1/Д. , где 1 - расстояние между геофонами 8 и 12 в длинах волн, соответствующих Рабочей частоте генератора б, направление главного лепестка Qff. можно определить по формулеws rA i-irРасстояние между любыми соседними геофонгиии 8-12 равно полуволне Д./2. Длина волны. рассчитывается по обычной формуле Хгу.(2), где f - частота генератора б, с - скорость распространения продольной волны в массиве 1.

При переключении числа геофонбй переключателем 14 происходит поворот луча диаграммы в пространстве с одновременным расширением или сужение его ширины: чем больше геофонов имеет приемная антенна, разнесенных че-. рез базы -/2, тем больше луч прижат к поверхности земли. Таким образом, с помощью блока поворота переключателя 14 удается направить луч на источник звуковых сигналов, т.е. на забой, а постоянство частоты генератора б обеспечивает постоянство ширины диаграммы, повышая тем самым помехозащищенность, а следсЗвательно, и точность аппаратуры, с выхода переключателя 14 сигналы усиливаются усилителем 15, фильтруются фильтром 16, огибающая сигналов выделяется с помощью детектора 17. Огибающая несет информацию о числе оборотов долота, Частотомер производит счет полупери.одов (числа оборотов) в единицу времени, например в секунду или в течение 10 с, а регистратор 19 производит запись этих данных, позволяя проследить за процессом бурения и сделать вывод о состоянии бурового инструмента и проходимых пластах. По мере проходки буровой мастер производит по- вордт луча диаграммы, направляя его на забой. Информация о процессе бурения получается в процессе работы с табло частотомера 18. Едли использовать многоканальную аппаратуру, то можно с помощью одних и Тех же геофонов иметь возможность следить за несколькими точками пространства и наблюдать отраженные от нижележащих участков массива волны и производить прогноз бурения. В плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа, параллельно каждому геофону подключены в той же полярности еще несколько геофонов для формирования диаграммы направленности в этой плоскости. Сформированная таким образом система из 25 геофонов позволяет получить ширину Луча в пределах от 70-15 с возможностью вращения в пространстве от 90-37 . Дискретность поворота при этом меняется от 4 до ЗО. Блок поворота диаграммы, содержащий времедные задержки и синфазное включение геофонов, являясь более трудно реализуемым устройством, позволяет получит постоянной ширину луча и дискретность поворота в пространстве, а также большую чувствительность. :

При определении геологических параметров в процессе бурения, например расчленения разреза скважины, необходимо производить излучение гарМО1 ических сигналов нескольких частот, т.е. производить полигармоническое излучение. Генератор 6 должен содержать несколько резонансных элементов, настроенные на заданные частоты, а настройка на эти частоты осуществляется пукем перестройки фильтра 16 и соответствующим разносом геофонов 8-12 или подключением усилителя 15 к одному из антенных устройств для данной частоты, не изображенного на чертеже. Оценка расчленения и выявление пластов происходит по величине затухания звука на каждой частоте, для чего вместо частотомера подключается вольтметр и по его показаниям производится построение кривой, характеризующей по частоте проходимый пларт.

Выполнение источника упругих колебаний гармоническим с постоянной частотой и снабжение его амплитудным модулятором типа клапана, движение которого Пропорционально измеряемому параметру, размещение геофонов по радиусу от центра скважины на: расстоянии друг от друга, равном половине длины продольной волны в горной породе на частоте источника гармонических колебаний, введение блока поворота диаграммы направленности в пространстве, введение перестраиваемого поло-гсового фильтра, детектора и частотомера, выполнение источника полигармоническим, многочастотным, соединение геофонов последовательно и противофазно выгодно отличает предлагаемое устройство от известного, так как при этом увеличивается точность получает мых данных за счет увеличения отношения сигнал - помеха на входе регистрирующей части аппаратуры, повышается скорость проходки скважины за счет акустического воздействия генератора гармонических сигналов на горные породы в забое и осуществления контроля за ходом бурения. Имеется возможность контроля не только технологических, но и геологических данных.

Формула изобретения

1. Аппаратура для получения данных в процессе бурения, содержащая забойный источник упругих колебаний, размещенные на поверхности земли геофоны усилитель сигналов и регистратор, отличающа;яся тем, что, с целью увеличения точности получаемых данных в процессе бурения, источник упругих колебаний выполнен гармоническим с постоянной частотой и снабжен модулятором амплитуды, выполненным в виде .клапана, движения которого пропорциональны числу оборотов бурового инструмента, геофоны размещены по радиусу от центра .скважины на расстоянии друг от друга, равном половине длины продольной волны в горной породе на частоте источника гармонических колебаний и подсоединены к усилителю сигналов через дополнительно введенный блок поворота луча диаграммы направленности с переключателями, выход усилителя подключен к последова