Буровая штанга направленного бурения для вращающегося става бурильных труб с промывочным каналом преимущественно для подземных работ

 

Изобретение относится к области бурения и предназначено для получения глубинной информации в процессе бурения. Цель изобретения - повьппение надежности работы и повышение достоверности глубинной информации. Буровая штанга 3 представляет собой концентрично расположенные внутреннюю подвижную трубу 10 с центральным осевым промывочньм каналом 11 и наружную трубу 12. На ее поверхности СО с со ел о: со О5 со ы у/ Фиг.2

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (191 (11) 2 04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К IlATEHTV и

71

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3764659/22-03 (22) 18.07.84 (31) P 3325962.3 (32) 19.07.83 (33) DE (46) 30.11.87. Бюл. В 44 (71) Бергверксфербанд ГмбХ и Швинг

Хюдраулик Электроник ГмбХ унд Ко (DE) (72) Хайнц Валусек и Мартин Вибе (ПЕ) (53) 622.242(088.8) (56) Заявка ФРГ !! 3000239.2, кл. Е 21 В 47/12, опублик. 1981.

Заявка ФРГ !! 294!102, кл. Е 21 В 47/12, опублик. 198!. (54) БУРОВАЯ ШТАНГА НАПРАВЛЕННОГО

БУРЕНИЯ ДЛЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ СТАВА БУг

РИЛЬНЫХ ТРУБ С ПРОМЫВОЧНЫМ КАНАЛОМ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ ПОДЗЕМНЫХ РАБОТ (57) Изобретение относится к области бурения и предназначено для получе" ния глубинной информации в процессе бурения. Цель изобретения — повьппение надежности работы и повьппение достоверности глубинной информации.

Буровая штанга 3 представляет собой концентрично расположенные внутреннюю подвижную трубу 10 с центральным осевым промывочным каналом 11 и наружную трубу 12. На ее поверхности в

1356969 установлены с возможностью поворота направляющие рейки 13, а внутри размещен комплект измерительных 14 и контрольных 15 приборов, соединенный с входами системы 16 управления. Информация от приборов 14 и 15 на пост управления передается с помощью телеметрического устр-ва, Оно состоит из промывочного канала с пульпой с гидропреобразователя эл. сигналов измерительных приборов в импульсы давлений пульпы. Последний содержит двухходовой управляемый поршень (УП) . Изобретение относится, к области бурения, а более конкретно к бурильным штангам направленного бурения, имеющим устройство для коррекции буровой скважины, и может быть исполь- 5 зовано для получения глубинной информации в процессе бурения.

Целью изобретения является повышение надежности работы и достоверности глубинной информации.

На фиг.l изображено устройство с расположенными на посту управления элементами, общий вид; на фиг.2 буровая штанга направленного бурения с буровой коронкой, продольное сечение; на фиг.3 — буровая штанга на- > правленного бурения, продольное сечение; на фиг.4 — то же, поперечное сечение; на фиг.5 — импульсная диаграмма по давлению; на фиг.6 — система управления, необходимая для воспринимающего импульс поршня; на фиг.7 — то же, вариант исполнения; на фиг.8 — воспринимающий импульс

25 поршень с односторонним расположением; на фиг.9 — двухходовый управляемый поршень, вариант исполнения.

Устройство представляет собой вращающийся буровой став, состоящий из нескольких, например двух соединенных между собой бурильных труб 1 и 2, которые со стороны забоя соединены с буровой штангой 3 направленного бурения и с буровым инструментом 4, 35 а со стороны устья вращающийся буровой став соединен с трубопроводом

2I, установленный внутри трубы 10.

Ось УП 21 радиально пересекает промывочный канал трубы 10. Выполнен

УП 21 в виде сплошного цилиндра с тремя кольцевыми проточками на по" верхности. Сердняя проточка предназначена для прохода промывочной жидкости. При этом УП 21 реверсивно перекрывает поток пульпы при подаче рабочей жидкости в одну или обе полости гидроусилителя, расположенные со стороны рабочих торцов УП 21.

9 з.п. ф-лы, 9 ил.

5 для подачи бурового шлама. Буровая штанга 3 гидравлически соединена с постом 6 управления бурением, который состоит из приемника 7, выполнен. ного в виде датчика давления, установленного в трубопроводе 5, индикатора 8 и записывающего блока 9, подключенных к приемнику 7.

Буровая штанга 3 (см.фиг.2) представляет собой концентрично расположенные внутреннюю подвижную трубу

10 с центральным осевым промывочным каналом ll и наружную неподвижную трубу 12, на поверхности которой установлены с возможностью поворота направляющие рейки 13.

В наружной неподвижной трубе

12 размещен комплект измерительных

14 и контрольных !5 приборов, который соединен с входами системы 16 управления.

В наружной неподвижной трубе 12 установлены рабочие цилиндры гидроусилителя (не показаны), соединенные с направляющими рейками 13, а также гидронасос 17 для создания гидравлического рабочего давления, телеметрическое устройство для передачи информации от комплекта измерительных и контрольных приборов, генератор 18 электрического тока, ротор которого имеет привод, например шестерню 19, зубья которой находятся в зацеплении с внутренней подвижной трубой 10 так, что генератор 18 со своей стороны приводится в действие от .трубы 10. Так как

135 гидронасос 17 приводится в действие

HpïoñðåäñòâåHHo от вращающейся трубы 10 или от генератора 18, то работа гидроусилителя, а также энергия для результатов измерений и ее перенос на гидроусилитель являются независимыми от кинетической энергии потока пульпы. Генератор 18 служит для выработки энергии для сигналов измерительных 14 и контрольных 15 приборов, для управления телеметрическим устройством для передачи информации, состоящим из промывочного канала 20 с пульпой и гидропреобразователя электрических сигналов измерительных 14 и контрольных 15 приборов в импульсы давления пульпы, который содержит двухходовой управляемый поршень 21, а также для управления размещенным в трубе 12 двухходовым трехпозиционным магнитным распределителем 22,который управляет гидравлической рабочей средой двухходового управляемого поршня 21. Магнитный распределитель 22 посредством управляющих каналов 23 и 24 соединен с управляемым поршнем 21. Гидронасос 17 защищен клапаном 25 ограничения давления в управляющем канале кольцевого трубопровода 26 к резервуару 27, из которого он питается рабочей средой.

Согласно примерам выполнения (см. фиг.3, 4 и 6) двухходовой управляемый поршень 21 представляет собой цилиндр, размещенный в цилиндрическом поршневом канале 28 внутренней трубы 10. В поршне 21 выполнены два торцовых канала, в которых установлены уплотнители 29 и 30, и третий (средний). кольцевой канал 31 для прохода промывочной жидкости..

В поршневом канале 28 установлена винтовая пружина 32 сжатия, один конец которой упирается в боковой торец 33 поршня 21, а другой — в торец 34 цилиндрического поршневого канала 28. Аксиальное поперечное отверстие 35 в поршневом канале 28 и отверстие 36 в торце поршня 21 образуют гидравлическое соединение с двухходовым трехпозиционным магнитным распределителем 22.

Согласно варианту исполнения двухходового управляемого поршня 21 (см. фиг.8) участок для поршня 21 в канале 28 заканчивается перед промывочным каналом 31.

6969

На основании варианта исполнения согласно фиг.3 показано распространение рабочей среды для приведения в действие двухходового управляемого поршня 2! от неподвижной наружной трубы 12 на вращающуюся внутреннюю трубу 10 в канал 28 поршня 21. Согласно этому перед подшипниковьми парами 37 и 38 наружной трубы 12, выполненными сс стороны бурового инструмента 4, на внутреннюю трубу 10 насажено кольцо 39, которое перекрыто без возможности вращения штифтом

40 с внутренней трубой 10 и .на своей наружной стороне имеет по кольцевой канавке 41, 42 для подачи или, соответственно, снятия давления двухходового управляемого поршня 21.

Обе кольцевые канавки 41 и 42 гидравлически гидроизолированы одна от другой и от внешней среды снаружи посредством кольцевых уплотнений 43-45 и внутри посредством кольцевых уплотнений 46-48. С помощью радиальных каналов 49 и 50 они присоединены к каналам в наружной трубе, которые образуют входные и отводные управляющие каналы ?3, 24 и для гидравлической рабочей среды.

Генератор 18 представляет собой низкоскоростной ротор с 60 об/мин и вырабатывает переменное напряжение в 3 В Й 24 В при требуемой мощности около 40 Вт. Вместо генератора

18 переменного тока могут быть применены также два двигателя постоянного тока.

Электронная система 16 управления имеет силовой элемент, содержащий выпрямитель, преобразующий трехфазный ток в постоянный и регулятор напряжения для поддержания напряжения 24 В.

Преобразователь напряжения с цифровым управлением обеспечивает постоянное напряжение + 12 В для измерения от". носительного нуля ° Наряду с силовой электронной системой имеется электронная система 16 управления, состоящая из генератора частоты для питания датчика результатов измерений напряжения, выпрямителя, выпрямляющего сигналы результатов измерения чаправления, сравнивающего блока для

BbIEeoOHcBHHoI o регулирования и систему запуска магнитных распределителей, которые освобождают масляный поток на регулирующий поршень от запуска направляющих реек.

5 13569

Наряду с силовой и электронной системами управления предусмотрена передающая электронная система для приема и передачи результатов измерений или, соответственно, сигналов, поступающих от контрольных приборов (в частности, сигналов от,двух приборов измерения уклона для, например, вертикальных скважин, передаваемых управляющим напряжением + 5 В). Благодаря этому может в двух местах контролироваться температура, например, гидравлической среды, что осуществляется посредством сигнала на15 пряжения в 0 — 5 В. Кроме того, сигналом напряжения в 0-5 В может быть передано давление гидравлического резервуара в 0-5 бар. Гидравлическое номинальное давление в 0-100 бар, ограниченное этим значением, указывается также постоянным напряжением

0-5 В, в то время как гидравлическое давление в системе передачи результатов измерений; составляющее О60 бар (шпиндельный поршень), ограничено этим значением и передается постоянным напряжением 0-5 В. Таким образом контролируется генераторное напряжение, составляющее 18-38 В, Согласно варианту исполнения, показанному на фиг.9, диаметр канала

28 для поршня 21 больше диаметра промывочного канала 31„ размещенного в проекции канала 28. Поршень 21 имеет канал 5j который имеет такие же контур и поперечное сечение, что и промывочный канал 31. Канавка 52 в стенке канала 28 упором 53 взаимодействует с поршнем 21, так что поршень на всем своем пути пробега жестко зафиксирован вокруг своей оси и в нейтральном положении соосен с промывочным каналом. Вследствие этого движение поршня 21 ограничивается оста- 45 точной частью поперечника в зоне его канала 51 и вследствие этого расположен вне поперечного сечения промывочного канала. Таким образом, поперечник промывочного канала в нейтральном положении поршня не ограничен.

Устройство работает следующим образом.

Устройство размещается в скважине

54 так, чтобы направляющие рейки 13 опирались на стенки скважины 54, а наружная труба 12 при вращении бурового стана бурильных труб 1 и 2 жест69 6 ко зажималась. Вследствие этого имеет место относительное вращение внутренней трубы 10 в наружной трубе 12.

Подают гидравлическую рабочую среду.

Если магнитный распределитель 22 запускается и соответствующее отверстие 36 нагружается или разгружается, то рабочая среда или подается перед торцовой стороной поршня 21 и вытесняется из полости позади торцовой стороны поршня, так что поршень 21 мгновенно отклоняется, или, соответственно, загрузка происходит в обратном направлении, благодаря чему двухходовый управляемый поршень 21 мгновенно возвращается в свое исходное положение. .При отклонении поршня 2) поток пульпы через промывочный канал 3! мгновенно сильно дросселируется или на короткое время совсем запирается.

Вследствие этого возникает резкое повышение давления в промывочном канале 31, которое после переключения магнитного распределителя 22 ведет также к резкому падению напряжения, поскольку пружина 32 мгновенно возвращает поршень в его исходное положение. В результате возникают прямоугольные импульсы по давлению (позиция 55 на фиг.5). Обозначенные над этими импульсами двойные стрелки показывают длительность импульса, который передается возрастанием и падением давления, до следующего импульса по давлению, Эта длительность импульса индентифицирует результат измерения и измерительный сигнал, Она принимается приемником 7 и преобразуется в величину напряжения.

Обозначенная также двойной стрелкой длительность другой последовательности импульсов (позиция 56 на фиг.5) идентифицирует другой измерительный сигнал, так что поршень 21 через распределитель 22 благодаря высокой частоте переключений, достигаемой с его помощью, принимает множество результатов измерений и безупречно различимых сигналов по давлению и выталкивает поток пульпы. Поэтому приемник 7 перепада давления может преобразовывать эти сигналы по давлению в электрические сигналы, которые могут быть идентифицированы. зирующих импульса, временной интервал которых всегда одинаков. Благодаря этому электронная система 16 управления и приемник 7 синхронизируются. Лишь после безупречного приема приемником 7 этих синхронизирующих импульсов происходит прием измерительных импульсов, что исключает ошибки при передаче.

Точность передачи составляет при

+ 5 В-156 мВ около 1,5 . Для наклона при диапазоне измерений

+ 1 это означает ошибку передачи

+ 1 и наклонно направленных скважин в качестве измерительных приборов, например датчика отклонения от вертикали и датчика аэимутального направления, могут быть использованы по крайней мере один компенсационный акселерометр с электрической обратной связью по току и по крайней мере один магнитный компас, так как они невосприимчивы к попутному вращению в процессе бурения и обеспечивают точное получение и передачу необходимых результатов измерений.

При исследовании скважин, направленных по пластам, целесообразно придавать наружной трубе один или несколько датчиков гамма-излучения, посредством которых возможно безупречное зондирование висячих и лежачих боков.

Таким образом, кроме сигналов, посланных датчиками отклонения от вертикали, на поверхность может быть передано также множество других параметров буровой штанги направленного бурения. При этом необходимые для этого измерительные и контрольные приборы могут быть размещены в

45 неподвижной и поэтому относительно меньше механически нагруженной наружной трубе, посланные ими сигналы после преобразования в гидравлические импульсы для двухходового управляемого поршня переносятся на поток пульпы. С помощью соответствующих аппаратов и контрольных приборов можно контролировать не только безупречное управление буровой штанги направленного бурения по заданному прохождению скважины, но и работоспособность необходимых для этого гидравлических и электрических устройств.

7 1356969

Для описанных контрольных систем, число которых в случае необходимости может быть увеличено или уменьшено, требуется пять каналов для передачи измерительных данных по типу, изображенному позициями 55 и 56 на фиг.5.

Поэтому в электронной системе 16 управления все пять результатов измерений должны быть приняты как вели10 чины напряжений «+ 5 В или, соответственно, 0-5 В, и должно быть осуществлено аналого-временное преобразование напряжения результатов измерений. Согласно этому передающая . электронная система 16 управления должна формировать импульсы, причем длительность импульсов, т.е. временной интервал между двумя следующими друг за другом импульсами, соответствует значению напряжения измерительного канала (8 каналов — 9 импульсов)

В электронной системе 16 управления результаты измерений циклично считываются на входе и для восьми каналов — девяти импульсов серийно выдаются на выходной транзистор,.который в соответствующем тактовом импульсе (9 импульсов) запускает магнитный распределитель 22 двухходового управляемого поршня 21. Благодаря запуску поршня 21 столб промывочного шлама в ставе бурильных труб модулируется импульсами по давлению, которые принимает приемник 7 перепада давления на посту 6 управления вне скважины. При чувствительности приемника 7 перепада давления

0-100 мбар и при энергопитании 1040 В можно получать на выходе импуль

40 сы тока в 0-20 мА. Они могут быть переданы по двухжильному кабелю от приемника 7 независимо от длины провода.

Со стороны приемника 7 может быть предусмотрено восемь каналов прй энергопитании 24 В. В приемнике

7 дистанционные импульсы тока преобразуются в импульсы напряжения и серийно передаются. Приемник 7 определяет временные интервалы между импульсами и преобразует их в величины напряжения. Выдача происходит параллельно на восьми цифровых индикаторах. 55

Для распознавания приемником 7 е посланных импульсов перед каждой серией (9 импульсов) измерений дополнительно генерируются два синхрониПри исследовании горизонтальных

9 13569

Формула и з о б р е т е н и я

1.Буровая штанга направленного бурения для вращающегося става бурильных труб с промывочным каналом, преимущественно для подземных работ, включающая концентрично расположенные внутреннюю подвижную и наружную неподвижную трубы, размещенный в наружной трубе комплект измерительных приборов, гидроусилитель с электроприводом гидронасоса в виде электромотора, генератор электрического тока, приводимый от внутренней подвижной трубы, и телеметрическое устРойство для передачи информации от комплекта измерительных приборов на пост управления буоением, при этом наружная неподвижная труба имеет несколько направляющих реек, соединенных с гидроприводом,.по крайней мере, два уклонометра, ориентированных под прямым углом друг к дрязгу и служит основанием для закрепления

Комплекта измерительных приборов, 25 генератора электрического тока и гидроусилителя с электроприводом гидронасоса, причем электоопоивод гидронасоса и комплект измерительных приборов имеют возможность питания от генератора электрического тока, отличающаяся тем, что с целью повышения надежности работы и достоверности глубинной информации, телеметрическое устройство для пере35 дачи информапии состоит из промывочного канала с пульпой и гидропреобразователя электрических сигналов измерительных приборов в импульсы давЛений пульпы, при этом гидропреоб- 411 разователь электрических сигналов содержит двухходовой управляемый поршень, установленный в цилиндрическом поршневом канале внутри подвижной трубы буровой штанги так, что ось поршня радиально пересекает промывочный канал подвижной трубы, причем поршень выполнен в виде сплошного, цилиндра, имеющего на цилиндрической поверхности три кольцевые проточки, при этом две послецние расположены со стороны торцовых поверхностей цилиндра и содержат уплотняющий материал, а третья (средняя) проточка предназначена для прохода промывочной жидкости, при этом управляемый поршень установлен с возможностью реверсивного перекрытия потока пульпы при подаче рабочей

1ф

69 жидкости гидроусилителя в одну или обе полости, расположенные со стороны рабочих торцов поршня.

2.Штанга по п.1, о т л и ч а ю— щ а я с я тем, что двухходовый управляемый поршень подпружинен вдолы собственной оси цилиндрической винтовой пружиной сжатия, один торец которой уперт в один из боковых торцов поршня, а другой — в соответствующий последнему торец цилиндрического поршневого канала, при этом поршневые плоскости канала выполнены с возможностью подачи в них рабочей жидкости гидроусилителя последовательно через двухходовой трехпозиционный магнитный распределитель и два управляющих канала, расположенных в неподвижной наружной трубе, а средняя кольцевая канавка поршня выполнена с возможностью минимального перекрытия промывочного .канала в положении поршня, соответствующем нейтральному положению магнитного распределителя.

3.Штанга по п.1, о т л и ч а ю— щ а я с я тем, что она снабжена кольцом, установленным жестко на внутренней поцвижной трубе, при этом на наружной цилиндрической поверхности кольца выполнены пять кольцевых канавок, две крайние и одна средняя из которых содержат уплотнительный материал, а две остальные выполнены сообщающимися с управляющими каналами магнитного распределителя и соединены с подпоршневыми полостями канала последовательно радиаль-. ными каналами кольца, кольцевыми канавками, выполненными на наружной поверхности внутренней трубы, и соединительным каналом, выполнЕнным в теле внутренней трубы, при этом поршневой канал и один из радиальных каналов расположены соосяо.

4.Штанга по п.1, о т л и ч а ю— щ а я с я тем, что комплект измерительных приборов состоит из электронной системы управления, датчика отклонения от вертикали, датчика азимутального направления, термометра, манометра и вольтметра, при этом выходы датчиков комплекта измерительных приборов соединены с входсм электронной системы управления, а выход последней — с магнитным распреЛелиеелем.

13569п9

5.Штанга по п.1, о т л и ч а ю— щ а я с я тем, что телеметрическое утсройство для передачи информации содержит приемник, установленный в устье скважины и выполненный в виде датчика давления, а вход датчика соединен с входом индикатора.

6.Штанга по п.1, о т л и ч а ю— щ а я с я тем, что генератор элек" трического тока, выполнен в виде источника питания и состоит из генератора переменного напряжения и преобразователя напряжения.

7.Штанга по п.4, о т л и ч а ю— щ а я с я тем, что приемник и электронная система управления выполнены с возможностью синхронного включения для приема и передачи информации,при этом электронная системауправления выполнена с возможностью генерации серий синхронизирующих импульсов перед каждымциклом приемаи передачи.

8.Штанга по пп.1 и 4, о т л и— ч а ю щ а я с я тем, что датчик отклонения от вертикали выполнен в ви5 де по крайней мере. одного компенсационного акселерометра с электрической обратной связью по току, а датчик азимутального направления выполнен в виде по крайней мере одного магнитного компаса.

9.Штанга по пп.1 и 4, о т л и— ч а ю щ а я с я тем, что наружная труба снабжена по крайней мере одним датчиком гамма-излучений. 10. Штанга по пп.1 и 2, о т л и— ч а ю. щ а я с я тем, что диаметр поршневого канала больше диаметра промывочного канала, а ось средней кольцевой проточки . поршня выполнено на эксцентрично оси поршня так, что цилиндрический участок поршня под проточкой расположен вне поперечного сечения промывочного канала.

1356969

1356969

1356969

ЗФ Ç7Ì 7/ фиМ

Составитель Г.Алексеева

Техред Л.Сердюкова КорректорВ.Бутяга

P едак тор Л . В ес елов с к а я

Заказ 5816/58 Тираж 533

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4