Скважинное устройство для передачи данных в процессе бурения

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) уапц Е 21 В 47/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA (21) 3395865/22-03 (22) 08.02.82 (46) 30.06.83. Бюл. М 24, (72) В.Н. Носов (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт ядерной геофизики и геохимии (53) 622.241(088.8) (56) i. Патент США И 4003017, кл. 340-155, опублик. 1977.

2. Гадиев С.И. Использование вибрации в добыче нефти. М., "Недра", 1977, с. 49-50 (прототип). (54)(57) 1. СКВАЖИННОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 8 ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ., содержащее корпус с жестко закрепленным и выполненным в виде цилиндра со щелевыми прорезями вдоль образующей и с каналом для бурового раствора в нижней его части стволом и расположенный на последнем цилиндрический золотник со щелевыми прорезями вдолЬ образующей, о т л и ч а ю щ е е с я тем,.что, с целью повышения чувствительности, оно снабжено стабилизатором оборотов цилиндрического золотника, а корпус и цилиндрический золотник имеют равномерно рас- положенные по окружности на одном уровне выступы, выполненные иэ ферромагнитного материала, с размещенными по обе стороны от каждого выступа электрическими обмотками, которые включены последовательно и подключены к стабилизатору оборотов циклического золотника.

2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что стабилизатор оборотов цилиндрического золотника выполнен из выпрямителя, ключевого элемента, стабилизатора частоты, стабилизатора напряжения и генератора временных меток,. выходы выпрямителя соединены с входами ключевого элемента, стабилизатора частоты и стабилизатора напряжения, а выход последнего посредством фильтра соединен с входом генератора временных меток, выход которого подключен к управляющим входам стабилизатора напряжения и ключевого элемента.

1025879

Изобретение относится к геофизической аппаратуре, применяемой при бурении промысловых и разведочных скважин.

Известно устройство для получения данных в процессе бурения скважин, содержащее источник упругих колебаний, геофоны, усилитель и регистратор. Данные из забоя во время бурения получают с ПОмощью упругих Волн при распространении по массиву горных пород (1).

Недостаток указанного устройства малая эффективность из-за невозможности передачи данных о литологии и технологических параметрах бурения с помощью забойной аппаратуры, большое затухание и искажение сигналов при распространении их в массиве и невозможность передачи данных при буренли глубоких скважин.

Наиболее близким к предпагаемому является скважинное устройство для передачи данных в процессе бурения, содержащее корпус с жестко закрепленным стволом, выполненным в виде стакана со щелевыми прорезями по образующей цилиндра и отверстием в донной час-, ча котором свободно размещен на подшипниках циклический золотник с щелевыии прорезями прямоугольной формы вдоль образующей, наклон которых выполнен в обратном направлении по отношению к прорезям ствола, причем концы корпуса соединены с переводниками $2 ).

Недостатком известного устройства является малая достоверность передачи сигналов из-за Отсутствля управления по частоте и амплитуде передаваемого сигнала., Цель изобретения — повышение достоверности передачи информации.

Поставленная цель достигается тем, что скважинное устройства для передачл данных, содержащее корпус с жестко

"=-=-*крепленнь м и Выполненным В Виде ци линдра cQ щелевыми прорезями Вдоль образующей и с каналом для бурового раствора В нижней его части атволом и расположеннь. и на последнем цилиндри- еский золотник со щелевымл прорезями вдоль образующей, снабжено стабилизатором оборотов цилиндрического золотника, а корпус и цилиндрический золотнлк имеют равномерно расположенные по Окру..;:ости на одном уровне Выступы, выполненные и=- ферромагнитного материала, с размещенными по обе стороны от каждого выступа электрическими обмотками, которые включены последовательно и подключены к стабилизатору оборотов циклического золот5 ника.

Кроме того, стабилизатор оборотов цилиндрического золотника выполнен из выпрямителя, ключевого элемента стабилизатора частоты, стабилизатора напряжения и генератора временных меток, выходы выпрямителя соединены с входами ключевого элемента, стабилизатора частоты и стабилизатора напряжения, а выход последнего посредством фильтра

35 соединен с входом генератора временных меток, выход которого подключен к управляющим входам стабилизатора на,пряжения и ключевого элемента.

На фиг. 1 приведена схема скважин-..

2О ного устройства в процессе бурения; на фиг. 2 - сечение А-A на фиг. 1; на фиг. 3 — сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - временные диаграммы колебаний, возникающих в устройстве; на

25 фиг. 5 - блок-схема стабилизатора, оборотов циклического золотника; на фиг. б - принципиальная схема стабилизатора оборотов циклического золотника.

Скважинное устройство для передачи данных в процессе бурения содержит переводник 1, который опирается на ствол 2, представляющий собой деталь в виде стакана. Герметичность соеди35 нения обеспечивается с помощью резинового уплотнения 3, размещенного в канавке ствола 2. В верхней части ствола расположен шариковый подшипник 4, который может быть заменен также подшипником качения, одно из колец которого соединено с циклическим золотником g, выполненным из стали. Выступы б и 7 прямоугольной формы, размещенные друг против друга с зазором 0,5- 1,0 мм и имеющие одинаковые размеры по площади, являются..:: магнитными полюсами. Выступ 7 может быть изготовлен заодно со стволом 2; а также автономно, Этот выступ (полюс) в случае генераторной схемы вы"

5О полняется из магнитожесткого материала; например ЮНДК, феррита бария и других магнитных сплавов. Площадь звукопрозрачного окна 8 равна площади щели 9 в циклическом золотнике 5. Число окон 8 равно числу щелей 9. В стволе 2 также выполнены щели 10. Наклон щелей 9 и 10 (фиг. 3) противоположен и равен, +45-бО .

1025

Нижняя часть золотника 5 оперта на нижней шарикоподшипник 11, опирающий. ся в-свою очередь на подпятник 12 через эластичную шайбу. В донной части ствола 2 для перепуска излишней жидкости с входного переводника 1 выполнен канал 13 для бурового раствора. Корпус 14 заканчивается выходным переводником 15, выполненным в данном случае заодно.с корпусом. Резь-10 бы переводников 1 и 15 .соединяются с трубами колонн (не показано). На фиг. 2 показано размещение обмоток 16 на выступах 6, которые в свою очередь устанавливаются на внутренней части !5 корпуса 14. Эти обмотки соединены меж. ду собой последовательно по напряжению, и начало первой обмотки и конец последней. подключены к выводам 17 и 18, Канал 13 предназначен для транс 2р портирования бурового раствора или воды к щелям 10. Канавка 19 обеспечивает хорошие пусковые свойства зо.лотника под действием давления жид" кости. На фиг. 4 приведены временные 25 диаграммы колебаний,. возникающих при работе предлагаемого устройства. Сиг« иалы С„ и С - временные метки; сигналы С и С> несут информацию об одном из замеряемых забойных параметров в виде кода. А, Б и В - уровни сигналов; Е и Е - соответственно уровень выходного сигнала и входного;

Т - время:в минутах или секундах. По." ложение входных и выходных сигналов соответствует на оси времени Т.

Стабилизатор оборотов циклического золотника осуществляет стабилизацию несущей частоты, установки нужной частоты и. модуляции несущей входными сигналами. С -С, . Выступы 6 и 7 с об- . 40 моткой 16 и магнит 20 представляют собой электрогенератор 21, выходы об.мотки 16 .соединены с входом полупро". водникового выпрямителя 22 выполненУ

45 ного, например, по мостовой схеме (фиг. 5), выходы которого соединены с электронным ключом 23, стабилизатором 24,частоты, .стабилизатором 25 напряжения, выход которого через фильтр 26. соединен с генератором 27 временных меток, выход которого соединен с управляющими входами стабилизатора 25 напряжений и электронного ключа 23, на вход 29 которого поступает информация.

Выход обмотки 16 нагружен на выпрямитель 22 (фиг. 6), параллельно которому включены транзистор 30, стаP

879 4 бийитрон 31 и резистор 32, образующие в совокупности стабилизатор частоты, транзистор 33, к базе которого подключен сумматор на резисторе 34 и диодах 35 и 36. Транзистор 33 является электронным ключом, Аноды дио" дов соединены с выходом генератора 28 временных меток и выходом (не показан} управляющего информационного прибора,. данные которых необходимо передать из скважины на земную поверхность. Общая шина 37-38, транзистор 39, резистор 40, стабилитрон 41, конденсатор 42 и фильтр 43 образуют стабилизатор напряжения скважинной аппаратуры. Скважинная аппаратура выполняется в виде блоков кольцевой формы, размещенных в подходящем месте на НКТ или колонне. Устройство (фиг. 1) размещается в разрыве колон" ны около турбодвигателя.

Скважинное устройство для передачи данных в процессе бурения работает следующим .образом.

При вращении циклического золотника от напора .буровой жидкости в колонне труб возникают мощные продольные волны, образуемые в результате перио= дического перекрытия щелей 9 и 10 в

:золотнике и стволе. В жидкости возникают гидравлические удары с частотой где Q расход жидкости через щели 9 и 10;

R - функция, описывающая зависимость между радиусом наружной поверхности ствола 2, радиусом наружной поверхности золотника 5, углом наклона щели 10 и ее площадью, углом наклона щели 9 и ее площадью, .т.е.

R cosIQ.

-+ (2)

rie г, ri " радиусы соответственно ствола и золотника;

5, Я2 - площади соответственно щелей 10 и 9;

,1 (- углы наклона соответственно щелей 10 и 9.

Иеханизм вращения золотника представляется в следующем виде.

Буровая жидкость, проходя через входное отверстие переводника 1, а ,также щели в стволе 2, попадает в щели золотника 5. Так как эти отверстия выполнены под углом, золотник

1025879 начинает вращение под действием реакции струи; вращаясь, он периодически перекрывает отверстия (щели 10) в стволе, в результате чего возникает гидравлический удар. Имеет место автоколебательный процесс - движение золотника 5 управляет расходом жидкости, а расход в свою очередь - движением золотника. Частота гидравличес. ких ударов зависит от числа щелей 9, 10 и оборотов золотника, что в свою очередь влияет на расход жидкости g, Гидроудар сопровождается резким подъемом давления в жидкости, который распространяется в сторону -входного 1 и выходного 15 переводников, а также в сторону окон 8, производя тем самым акустическое воздействие на горную породу и вызывая в ней разрывы ° Если проходится нефтяной пласт, который при бурении забивается частицами бурового раствора, то разрыв способствуют притоку нефти, выносу частиц бурового раствора и обнаружению пласта. Окна 8, не нарушая прочность корпуса 14, способствуют хорошему прохождению звуковой энергии от золотника 5. Толщина стенки окна 8 выбирается меньше 1/40 длины продольной волны в материале корпуса 14, а в этом случае стенка работает как диафрагма. Кроме продольных волн в жидкости, по колонне распространяются крутильные колебания, так как в первой части цикла золотник пропускает жидкость и разгоняется под действием реакции струи, а во второй части цикла щели 9 и 10 оказываются перекрытыми, и золотник 5 движется по инерции с замедлением иэ-за наличия трения в опорах 4 о,жидкость или за счет введения дополнительного тормозящего момента, вносимого электромагнитом, образованным элементами 21, при подаче на него импульса с выхода управляющего скважинного информационного прибора (не показан). Это могут быть сигналы временных меток С4 и СА (фиг. 4) и сигналы С и С закодированной информации, подлежащей передаче иэ забоя на поверхность qo колонне, буровому раствору или массиву горных пород. Если при холостом ходе золотника акустическое давление изменяется от уровня Б до уровня 8 (фиг. 4), то при подаче управляющих импульсов оно поднимается до уровня А.

Частота несущая Сч изменяется в зависимости от давления бурового раствора, что является недостатком, поскольку прием передаваемых импульсов приходится производить в широкой полосе в условиях повышенных помех. Этот режим использования предлагаемого устройства наиболее прост. Иощность управления золотником при этом может быть значительной, что в некоторых случаях может оказаться невыгодным.

Имеет место модуляция акустических. сигналов, генерируемых золотником, по амплйтуде и по частоте.

Уравнение движения золотника имеет вид

15.И= И + И +. . . (3) гр 9 4t где И - момент, действующий на золотник со стороны жидкости;

И - момент трения;

И - момент управления со стороны информационного скважинного прибора, развиваемый электромагнитом 21;

3 - момент инерции золотника; - угловая скорость золотника;

t - время.

При выполнении выступов 7, установленных на золотнике 5, в виде постоян-. ных магнитов, поляризованных по радиусу золотника, элементы предлагаемого устройства представляют собой генератор переменного тока, При замыкании выходов 17 и 18 Обмотки в по" следней потечет большой ток и возникÇS нет большой тормозящий момент, который вызовет частичное или полное замедление вращения золотника, а следовательно, и характера сигналов, изображенных на фиг. 4 (верхняя времен40 ная диаграмма). Для передачи информации иэ забоя на земную поверхность достаточно замыкать на какое"то время или размыкать выходы обмоток 17 и 18.

Но в этом случае несущая частота так45 же не будет стабильной и потребуется прием и обработка принятых сигналов в широкой полосе частот. Мощность управления, потшебляемая от информационного скважинного прибора, сильно

SQ уменьшается по сравнению с предыду" щим случаем. Причем эффективность работы гораздо выше по сравнению с .прототипом благодаря е:пользованию элементов, 6, 7 и 16 в качестве элект55 ромагнитов. Так как генератор переменного тока (фиг. 5) притормаживает движение золотника при увеличении электрической нагрузки, то устройство снабжено стабилизатором частоты

7 10258 (элементы 25 и 26, фиг. 5 и элементы

31, 32 и 30, .фиг. 6), функционирующим при превышении золотником 5 некоторой скорости вращения, после ко" торой возникает дополнительный трр5 мозящий момент со стороны элементов 6, 7 и 16. При вращении золотника на ., выходе обмоток 17, и 18 возникает элект, рическое напряжение, которое затем выпрямляется выпрямителем 22 и далее подается на вход стабилитрона 31, образующего совместно с резистором

32 (фиг. 6) стабилизатор постоянного тока. С выхода этого стабилизатора, на базу транзистора 30 подается напряжение с элементов 31 и 32, который.. усиливает это напряжение и вызывает дополнительный ток в обмртке 16. Возникает тормозящий момент, снижающий обороты, а значит и напряжение на выходе 17 и 18 обмоток. Чтобы передать данные от скважинного информационного прибора в импульсном коде, достаточно замкнуть выход 17, 18. Для этого анод диода 36 сумматора (фиг. 6) замыкают с помощью. реле, установленного в ин-. формационном скважинном приборе в соответствии с кодом и на необходимое время (фиг. 4). Для привязки передаваемых данных во времени через строго определенное время, например через

1 мин или E с от генератора временных меток на другой .диод сумматора (35) подается положительный импульс

С„ и С,, который открывает управляемое сопротивление 33 (в данном случае транзистор) на заданное время.

В обмотке 16 возникает большой ток, приводящий в свою очередь к возникновению большого тормозящего момента золотника. Золотник останавливается, в жидкости возникает большое давление, а также изменение несущей частоты гидроударов, которые обнаруживаются с помощью детектора амплитуд или, с помощью частотного детектора на на- 45 земной аппаратуре. Таким образом, вариант устройства, содержащий электрогенератор и систему управления (фиг. 5 и 6), имеет наибольшую эффек" тивность при передаче данных в процессе бурения потому, что в этом слу. чае имеется возможность передавать сигналы с помощью слабых сигналов ин-.

° формационного скважинного прибора, 1 например замыкая и размыкая контакты небольшого реле, частота несущая постоянна и поддерживается во время работы автоматически, на передаваемую информацию можно накладывать временные метки, которые синхронизируются по моменту передачи с пердаваемой информацией (на фиг. 5 и 6 не показано) и, кроме того, вся забойная аппаратура запитывается напряжением от автономного источника - электрогенератора. 21, стабилизированного выпрямителя и фильтра (элементы 40-43, 39), что избавляет от необходимости использования аккумуляторов и батарей, устанавливаемых в забое.

Мощность передаваемых сигналов достигает до 10-15 ак.кВт на частотах

100-2000 Гц, сигнал может приниматься в виде продольных или крутильных колебаний и последующей амплитудной или корреляционной обработкой. Иаксимальная глубина, с которой можно передать данные из забоя по колонне, составляет 3-4 км, по горным породам — до

1 км. Несущую частоту можно устанавливать с помощью стабилитрона 35, числа витков обмоток 16 и.магнитов 7.

Иощность акустических колебаний, следовательно и дальность> можно устанавливать с помощью подбора сечений щелей 9 и 10 и увеличения магнитов 7.

Возможна 1003-ная модуляция rio амплитуде и частоте, что полностью отвечает всем поставленным требованиям, предъявляемым к системе контроля за бурением. Практическая реализация устройства несложна и может быть легко освоена, прием ведется обычными датчиками давления или геофонами.

Таким образом, предлагаемое скважинное устройство для передачи данных в процессе бурения обладает большой эффективностью действия, позволяет решить вопрос с питанием забойной информационной аппаратуры, вести передачу данных на одностабильной частоте с модуляцией по амплитуде и частоте с помощью импульсного кода и обеспечить большую помехозащищенность и дальность действия. Ожидаемый эффект от использования одного устройства составляет примерно 2550 тыс, руб.

1025879

1025879

1025879

Т, ива

ВНИИПИ Заказ 4521/27- Тираж 603 Подписное

- Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4