Акустическая телеметрическая система контроля числа оборотов вала турбобура
Владельцы патента RU 2291961:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тюменский государственный нефтегазовый университет" (RU)
Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано для контроля числа оборотов вала турбобура по акустическому каналу связи. Система содержит забойный датчик информационных сигналов, выполненный в виде вала-модулятора со сквозным отверстием, размещенного в кольцевом резонаторе Гельмгольца с возможностью совмещения их отверстий и соединенного через муфту с валом турбобура, который дополнительно является акустическим забойным излучателем, приемник акустического сигнала, усилитель и блок декодирования. Резонатор Гельмгольца установлен с возможностью изменения площади совмещенных с валом-модулятором отверстий для обеспечения поглощения энергии акустического сигнала на разных частотах. Изобретение направлено на повышение помехоустойчивости и точности передачи информации. 4 ил.
Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для получения забойной информации по беспроводному каналу связи и обработки ее наземной аппаратурой. Известна телеметрическая система, используемая при бурении скважин с проводным каналом связи /Грачев Ю.В., Варламов В.П. Автоматический контроль в скважинах при бурении и эксплуатации. - М.: Недра, 1963. С.38-54/.
Недостатком известной телеметрической системы является низкая помехоустойчивость и точность передачи информации.
Известна телеметрическая система контроля забойных параметров процесса бурения скважин, содержащая забойные датчики информационных сигналов, забойные модуляторы, забойный излучатель, бурильную колонну, приемник, усилитель, демодулятор, блок регистрации и отображения информации /патент US 3588804, кл. G 01 V 1/40, 1971/.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является телеметрическая система контроля числа оборотов вала турбобура (RU 2044878 С1, кл. Е 21 В 44/00, опубл. 27.09.1995), содержащая забойный датчик информационных сигналов, выполненный в виде вала-модулятора со сквозным отверстием, размещенного в резонаторе с возможностью совмещения их отверстий и соединенного через муфту в валом турбобура, который дополнительно является акустическим забойным излучателем, приемник акустического сигнала, усилитель, блок декодирования, выполненный из трех параллельно соединенных каналов, каждый из которых включает полосовой фильтр, настроенный на индивидуальную частоту, и инвертор, и блок отображения информации.
Недостатками известных телеметрических систем контроля забойных параметров является низкая помехоустойчивость и точность передачи информации из-за отсутствия кодового информационного сигнала при формировании измеряемого параметра и преобразования ее наземной измерительной аппаратурой.
Задачей изобретения является обеспечение эффективности работы акустического канала связи.
Технический результат - повышение помехоустойчивости и точности передачи забойной информации - достигается тем, что телеметрическая система контроля числа оборотов вала турбобура содержит забойный датчик информационных сигналов, выполненный в виде вала-модулятора со сквозным отверстием, размещенного в резонаторе с возможностью совмещения их отверстий и соединенного через муфту с валом турбобура, который дополнительно является акустическим забойным излучателем, приемник акустического сигнала, усилитель, блок декорирования, выполненный из трех параллельно соединенных каналов, каждый из которых включает полосовой фильтр, настроенный на индивидуальную частоту, и инвертор, блок отображения информации. Особенностью телеметрической системы является то, что резонатор представляет собой кольцевой резонатор Гельмгольца, который установлен с возможностью изменения площади совмещенных с валом-модулятором отверстий для обеспечения поглощения энергии акустического сигнала на разных частотах, блок декорирования снабжен генератором импульсов, а каждый из каналов блока декорирования - соответствующим электронным ключом, причем инверторы каждого канала соединены с первыми входами соответствующих ключей, ко вторым входам которых подключен генератор импульсов.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленной акустической телеметрической системе контроля числа оборотов вала турбобура информация о контролируемом параметре за один оборот вала турбобура повторяется по пять раз.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Новизна».
Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что акустическая телеметрическая система контроля числа оборотов вала турбобура известна [патент US 3588804, RU 2044878 С1]. Однако неизвестно измерение поглощаемых пяти частот одним отверстием резонатора в забойном датчике информационных сигналов и измерение длительности импульсов этих же пяти частот в наземном преобразователе.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».
На фиг.1 изображена схема размещения вала забойного модулятора в кольцевом резонаторе Гельмгольца.
На фиг.2 показано последовательное совмещение сквозного отверстия вала забойного модулятора с входным отверстием кольцевого резонатора Гельмгольца.
На фиг.3 изображена структурная схема акустической телеметрической системы (наземного измерительного прибора) контроля числа оборотов вала турбобура.
На фиг.4 показаны спектрограммы информационного сигнала.
На схеме размещения вала забойного модулятора в кольцевом резонаторе Гельмгольца (фиг.1) показаны: 1 - вал турбобура; 2 - муфта для соединения вала турбобура с валом забойного модулятора 3; 4 - сквозное отверстие в валу забойного модулятора; 5 - кольцевой резонатор Гельмгольца; 6 - входное отверстие в полость кольцевого резонатора Гельмгольца 5.
Схема (фиг.2) последовательного совмещения сквозного отверстия вала забойного модулятора с входным отверстием полости кольцевого резонатора Гельмгольца показывает: на фиг.2,а: 4 - сквозное отверстие вала забойного модулятора 3, 6 - входное отверстие в полость кольцевого резонатора Гельмгольца, 7 - направление движения сквозного отверстия 4 вала забойного модулятора по отношению к входному отверстию 6 в полости кольцевого резонатора Гельмгольца, на фиг.2,б: 4 - сквозное отверстие вала забойного модулятора, 6 - входное отверстие в полость кольцевого резонатора Гельмгольца, 8 - площадь S(1) совмещенных отверстий вала забойного модулятора и кольцевого резонатора Гельмгольца в момент времени t(1), на фиг.2,в: 4 - сквозное отверстие вала забойного модулятора, 6 - входное отверстие в полость кольцевого резонатора Гельмгольца, 9 - площадь S(2) совмещенных отверстий вала забойного модулятора и кольцевого резонатора Гельмгольца в момент времени t(2), на фиг.2,г: 4 - сквозное отверстие вала забойного модулятора, 6 - входное отверстие в полость кольцевого резонатора Гельмгольца, 10 - площадь S(3) совмещенных отверстий вала забойного модулятора и кольцевого резонатора Гельмгольца в момент времени t(3), на фиг.2,д: 4 - сквозное отверстие вала забойного модулятора, 6 - входное отверстие в полость кольцевого резонатора Гельмгольца, 9 - площадь S(4) совмещенных отверстий вала забойного модулятора и кольцевого резонатора Гельмгольца в момент времени t(4), на фиг.2,е: 4 - сквозное отверстие вала забойного модулятора, 6 - входное отверстие в полость кольцевого резонатора Гельмгольца, 8 - площадь S(5) совмещенных отверстий вала забойного модулятора и кольцевого резонатора Гельмгольца в момент времени t(5).
Спектрограммы информационного сигнала на фиг.4 показывают: ж - спектр частот, генерируемый турбобуром, где - f(1) 200 Гц, f(2) 300 Гц, f(3) 400 Гц (частоты выбраны для модуляции); з - спектрограмма с модулированной частотой f(1) 200 Гц; и - спектрограмма с модулированной частотой f(2) 300 Гц; к - спектрограмма с модулированной частотой f(3) 400 Гц; л - спектрограмма с модулированной частотой f(2) 300 Гц; м - спектрограмма с модулированной частотой f(1) 200 Гц.
Структурная схема акустической телеметрической системы (схема наземного измерительного прибора) контроля числа оборотов вала турбобура, показанная на фиг.4, содержит: 11 - приемник (гидрофон); 12 - усилитель; 13 - блок декодирования, состоящий из трех - первого, второго и третьего - параллельно соединенных каналов, включающих полосовые фильтры 18, инверторы 19, каждый из который соединен с первым входом электронных ключей 20; 14 - генератор импульсов, подключенный ко второму входу электронных ключей 20; 15 - электронный счетчик; 16 - дешифратор; 17 - блок отображения информации; 18,1 - полосовой фильтр (настроенный на частоту f(1) 200 Гц); 18,2 - полосовой фильтр (настроенный на частоту f(2) 300 Гц); 18,3 - полосовой фильтр (настроенный на частоту f(3) 400 Гц); 19,1 - инвертор (изменяет состояние выхода, противоположное состоянию входа на частоте f(1)); 19,2 - инвертор (изменяет состояние выхода, противоположное состоянию входа на частоте f(2)); 19,3 - инвертор (изменяет состояние выхода, противоположное состоянию входа на частоте f(3)); 20,1 - электронный ключ; 20,2 - электронный ключ; 20,3 - электронный ключ.
Забойный датчик информационных сигналов для контроля частоты вращения вала турбобура размещается над третьей секцией шпиндельного турбобура типа 3ТСШ1-195 (или 3ТСШ-195 ТЛ).
Сборка датчика информационных сигналов: на торце вала 1 турбобура (фиг.1) размещается муфта 2 (фиг.2), затем в муфту 2 вставляется вал забойного модулятора 3 (фиг.1). В переводнике (не показан) размещается кольцевой резонатор Гельмгольца 5 (фиг.1). Собранную конструкцию наворачивают над третьей секцией турбобура, при этом сквозное отверстие 4 вала забойного модулятора совместится с входным отверстием 6 кольцевого резонатора Гельмгольца 5.
Действие кольцевого резонатора Гельмгольца с надлежащим затуханием, будучи возбужденным падающей на него волной, отбирает от звукового поля достаточно большую энергию в области частот, примыкающих к собственной частоте резонатора, которая определяется по формуле [Лепендин Л.Ф. Акустика: Учебное пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1978. - С.65-66]:
где с - скорость звука в трубопроводе;
V - объем резонансной камеры;
S - площадь звукопоглощающего отверстия (горла);
h - высота горла (толщина стенки полости резонатора).
Пример расчета. Внутренний диаметр переводника 165 мм; внутренний объем резонансной камеры V=5000 см3; внутренний диаметр камеры 105 мм; длина горла h=2 см; площадь отверстия S(1) - 0,7 см2; резонансная частота f(1)=200 Гц; площадь отверстия S(2) - 1,58 см2; резонансная частота f(2)=300 Гц; площадь отверстия S(3) - 2,8 см2; резонансная частота f(3)=400 Гц.
Чтобы повысить помехоустойчивость и точность передачи забойной информации, достаточно по каналу связи передать за один оборот вала турбобура последовательно два одинаковых сигнала (например, сигнал на частоте 100 Гц). Тогда в случае зашумленности одного сигнала (первого или второго) информация о контролируемом параметре выделяется.
Это можно сделать следующим образом.
Сквозное отверстие 4 (фиг.2,а) движется по направлению 7 (фиг.2,а) к входному отверстию 6 (фиг.2,а) кольцевого резонатора Гельмгольца 5 (фиг.1). При совмещении сквозного отверстия 4 с входным отверстием 6 происходит последовательное открывание последней, например (фиг.2,б), в момент времени t(1) площадь 8 звукопоглощающего отверстия составит S(1) - это соответствует частоте f(1), равной 200 Гц (согласно расчетной формуле). Далее перекрывание увеличивается, например (фиг.2,в) в момент времени t(2) площадь 9 звукопоглощающего отверстия составит S(2) - это соответствует частоте f(2), равной 300 Гц (согласно расчетной формуле). Далее перекрывание увеличивается, например (фиг.2,г), в момент времени t(3) площадь 10 звукопоглощающего отверстия составит S(3) - это соответствует частоте f(3), равной 400 Гц (согласно расчетной формуле). Дальнейшее движение сквозного отверстия 4 относительно входного отверстия резонатора уменьшает площадь звукопоглощающего отверстия резонатора. Так, на фиг.2,д, например в момент времени t(4) площадь 9 звукопоглощающего отверстия составит S(4) - это соответствует частоте f(4), равной 300 Гц (согласно расчетной формуле). Т.е. площади 9 звукопоглощающего отверстия на фиг.2,в и на фиг.2,д совпадают, следовательно, частота f(2), равная 300 Гц, появляется второй раз за один оборот.
Так, на фиг.2,е, например, в момент времени t(5) площадь 8 звукопоглощающего отверстия составит S(5) - это соответствует частоте f(1), равной 200 Гц (согласно расчетной формуле). Т.е. площади 8 звукопоглощающего отверстия на фиг.2,б и на фиг.2,е совпадают, следовательно, частота f(1), равная 200 Гц, появляется второй раз за один оборот.
Таким образом, за один оборот вала турбобура (жестко связанного с валом забойного модулятора) при совмещении сквозного отверстия вала забойного модулятора и входного отверстия резонатора появляются по две подавленных частоты f=200 Гц, f=300 Гц и f=400 Гц. Появление двух одинаковых подавленных частот за один оборот является кодом.
При подключении буровых насосов (не показаны) промывочная жидкость (показано на фиг.1 стрелкой) по бурильной колонне (не показана) поступает в турбобур (не показан) через внутреннюю полость вала забойного модулятора 3 (фиг.1) и промывочные окна (не показано).
Вращение вала 1 турбобура (фиг.1) через муфту 2 (фиг.1) приводит во вращение вал забойного модулятора 3 (фиг.1). На каждый оборот вала 1 турбобура (фиг.1) сквозное отверстие 4 (фиг.1) вала забойного модулятора 3 (фиг.1) совмещается с входным отверстием кольцевого резонатора Гельмгольца 5, в результате чего происходит поглощение энергии частот (1)=200 Гц, f(2)=300 Гц и f(3)=400 Гц, выполняя операцию амплитудно-импульсной модуляции.
На фиг.4,ж приведена спектрограмма шумового процесса, генерируемого турбобуром.
На фиг.4,з - та же спектрограмма, но при поглощенной частоте f(1)=200 Гц при площади перекрытия S(1).
Эта информация в виде подавленной частоты, например f(1), распространяется по бурильной колонне (не показано), принимается приемником 11, усиливается усилителем 12, декодируется в первом канале блока декодирования 13 (фиг.3) полосовым фильтром 18.1, настроенным на частоту f(1)=200 Гц, инвертируется инвертором 19.1 и сформированным импульсом открывает электронный ключ 20.1 для заполнения электронного счетчика 15 импульсами с генератора 14 с последующим преобразованием сигнала через дешифратор 16 на блок отображения информации 17.
На фиг.4,и - та же спектрограмма, но при поглощенной частоте f(2)=300 Гц при площади перекрытии S(2).
Эта информация распространяется по бурильной колонне (не показано), принимается приемником 11, усиливается усилителем 12, поступает (через второй канал) на полосой фильтр 18.2, настроенный на частоту f(2)=300 Гц, на инвертор 19.2, (инвертируется) и открывает ключ 20.2 для заполнения электронного счетчика 15 импульсами с генератора 14 с последующим преобразованием сигнала через дешифратор 16 на блок отображения информации 17.
На фиг.4,к - та же спектрограмма, но при поглощенной частоте f(3)=400 Гц при площади перекрытия S(3).
Эта информация распространяется по бурильной колонне (не показано), принимается приемником 11, усиливается усилителем 12, поступает на полосой фильтр 18.3, настроенный на частоту f(3)=400 Гц, на инвертор 19.3, (инвертируется) и открывает ключ 20.3 для заполнения электронного счетчика 15 импульсами с генератора 14 с последующим преобразованием сигнала через дешифратор 16 на блок отображения информации 17.
На фиг.4,л - та же спектрограмма, но при поглощенной частоте f(2)=300 Гц.
Эта информация распространяется по бурильной колонне (не показано), принимается приемником 11, усиливается усилителем 12, поступает на полосой фильтр 18.2, настроенный на частоту f(2)=300 Гц, на инвертор 19.2, (инвертируется) и открывает ключ 20.2 для заполнения электронного счетчика 15 импульсами с генератора 14 с последующим преобразованием сигнала через дешифратор 16 на блок отображения информации 17.
На фиг.4,м - та же спектрограмма, но при поглощенной частоте f(1)=200 Гц.
Эта информация распространяется по бурильной колонне (не показано), принимается приемником 11, усиливается усилителем 12, поступает на полосой фильтр 18.1, настроенный на частоту f(1)=200 Гц, на инвертор 19.1, (инвертируется) и открывает ключ 20.1 для заполнения электронного счетчика 15 импульсами с генератора 14 с последующим преобразованием сигнала через дешифратор 16 на блок отображения информации 17.
Если в процессе бурения скважины произойдет зашумленность частот, например, f(1)=200 Гц или другой частоты, то акустическая телеметрическая система (наземный прибор) все равно покажет забойную информацию о числе оборотов вала турбобура.
Заявляемая акустическая телеметрическая система для контроля числа оборотов вала турбобура позволит с известными техническими решениями увеличить механическую скорость и проходку на долото за счет поддержания заданного значения осевой нагрузки по геолого-технологическому наряду.
Телеметрическая система контроля числа оборотов вала турбобура, содержащая забойный датчик информационных сигналов, выполненный в виде вала-модулятора со сквозным отверстием, размещенного в резонаторе с возможностью совмещения их отверстий и соединенного через муфту с валом турбобура, который дополнительно является акустическим забойным излучателем, приемник акустического сигнала, усилитель, блок декодирования, выполненный из трех параллельно соединенных каналов, каждый из которых включает полосовой фильтр, настроенный на индивидуальную частоту, и инвертор, и блок отображения информации, отличающаяся тем, что резонатор представляет собой кольцевой резонатор Гельмгольца, который установлен с возможностью изменения площади совмещенных с валом-модулятором отверстий для обеспечения поглощения энергии акустического сигнала на разных частотах, блок декодирования снабжен генератором импульсов, а каждый из каналов блока декодирования - соответствующим электронным ключом, причем инверторы каждого канала соединены с первыми входами соответствующих ключей, ко вторым входам которых подключен генератор импульсов.
