Способ получения забойной информации о частоте вращения вала турбобура
Владельцы патента RU 2443862:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тюменский государственный нефтегазовый университет" (ТюмГНГУ) (RU)
Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к бурению скважин, и может быть использовано для контроля частоты вращения вала турбобура и для управления процессом бурения. Техническим результатом является повышение надежности контроля частоты вращения вала турбобура и управление процессом бурения. Способ получения забойной информации о частоте вращения вала турбобура содержит следующие операции: дополнительно размещают наземный резонатор в нагнетательной линии бурового насоса и вращающийся глубинный резонатор над турбобуром. При этом осуществляется: генерирование широкополосного спектра звуковых частот буровым насосом в нагнетательную линию; перераспределение энергии частот в спектре, генерируемом буровым насосом, в диапазон низких частот наземным резонатором; генерирование широкополосного спектра звуковых частот вращающимся глубинным резонатором, жестко соединенным с валом турбобура, в полость бурильной колонны; периодическое перераспределение энергии звуковых частот в спектре, генерируемом турбобуром, в диапазон низких звуковых частот вращающимся глубинным резонатором пропорционально частоте вращения вала турбобура. 7 ил.
Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к бурению скважин, и может быть использовано для контроля частоты вращения вала турбобура и для управления процессом бурения.
Известен способ получения информации путем подавления по амплитуде полосы частот, генерируемой турбобуром датчиком оборотов, входящим в состав акустической телеметрической системы контроля числа оборотов вала турбобура, содержащей забойный датчик информационных сигналов, приемник акустического сигнала, усилитель и блок декодирования [патент RU 2291961 С2, кл. Е21В 47/14, Е 45/00, опубл. 20.01.2007].
Недостатком известного способа является низкая помехоустойчивость канала связи в области приема акустической информации из-за акустической помехи, создаваемой буровым насосом в том же диапазоне низких частот, что и полезный акустический сигнал.
Наиболее близким по технической сущности является способ однополосной модуляции сигнала, заключающегося в том, что при подавлении несущей частоты амплитуды боковых полос возрастают [Савиных Ю.А., Хмара Г.А. Звуковой канал связи для передачи технологических параметров при турбинном бурении // Известия высших учебных заведений. - Нефть и газ, 2010, №3. - С.27-33].
Известный способ однополосной модуляции сигнала можно перенести на способ передачи глубинной информации, т.е. на область низких звуковых колебаний, генерируемых буровым насосом и турбобуром.
Технической задачей изобретения является разработка способа для надежного контроля частоты вращения вала турбобура и управление процессом бурения. При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет сложения низких частот бурового насоса и турбобура, преобразованных четвертьволновыми резонаторами из высокочастотных спектров, генерируемых вышеуказанными источниками.
Технический результат достигается тем, что способ получения забойной информации о частоте вращения вала турбобура, содержащего буровой насос, нагнетательную линию, бурильную колонну, турбобур, предусматривает следующие операции:
а) дополнительное размещение в нагнетательной линии бурового насоса наземного резонатора;
б) дополнительное размещение над турбобуром вращающегося глубинного резонатора,
при этом осуществляется:
- генерирование широкополосного спектра звуковых частот буровым насосом в нагнетательную линию;
- перераспределение энергии частот в спектре, генерируемом буровым насосом, в диапазон низких частот наземным резонатором;
- генерирование широкополосного спектра звуковых частот вращающимся глубинным резонатором, жестко соединенным с валом турбобура, в полость бурильной колонны;
- периодическое перераспределение энергии звуковых частот в спектре, генерируемом турбобуром, в диапазон низких звуковых частот вращающимся глубинным резонатором пропорционально частоте вращения вала турбобура;
- повышение надежности получения забойной информации о частоте вращения вала турбобура достигается за счет обеспечения надежного канала для передачи информации, стабильности за счет сложения низких частот, обладающих минимальным затуханием.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном способе получения числа оборотов вала турбобура информация контролируется по многократному увеличению амплитуды звука в диапазоне низких частот.
Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию «Новизна».
Сравнение заявленного решения с другими решениями показывает, что передача звукового сигнала от долота и турбобура известна [патент RU 2291961 С2, кл. Е21В 47/14, Е 45/00, опубл. 20.01.2007], подавление низкочастотной звуковой помехи от бурового насоса также известно [патент RU 2333351 C1, кл. Е21В 44/00, опубл. 10.09.2008]. Однако неизвестно, что при подавлении частоты в спектре звука происходит перераспределение энергии, благодаря чему в несколько раз увеличивается амплитуда звука соседних частот: выше и ниже подавляемой.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».
Основные положения физической сущности для осуществления способа.
1. Генерирование звуковых волн в промывочную жидкость буровым насосом и турбобуром.
2. Подавление по амплитуде полосы частот резонатором в нагнетательной линии бурового насоса [патент RU 2270312 C1, кл. Е21В 4/00, Е21В 45/00, опубл. 20.02.2006].
3. Периодическое подавление по амплитуде полосы частот, генерируемой турбобуром датчиком оборотов (вращающимся глубинным резонатором) [патент RU 2291961 С2, кл. Е21В 47/14, Е 45/00, опубл. 20.01.2007].
4. Перераспределение энергии частот в спектре, генерируемом буровым насосом и турбобуром, в диапазон низких частот при помощи резонаторов аналогично способу однополосной модуляции электромагнитных колебаний [Савиных Ю.А., Хмара Г.А. Звуковой канал связи для передачи технологических параметров при турбинном бурении // Известия высших учебных заведений. - Нефть и газ, 2010. №3. - С.27-33].
5. Информация о частоте вращения вала турбобура определяется по приращению амплитуды звуковых колебаний в низкочастотной полосе.
На фиг.1 изображена технологическая схема турбинного бурения с размещенными резонаторами.
На фиг.2 показан спектр звука АЧХ S 1 (ω) БН, генерируемого буровым насосом.
На фиг.3 показан спектр звука АЧХ S 3 (ω) ТБ, генерируемого турбобуром.
На фиг.4 показан спектр звука АЧХ S 2 (ω) БН.Р, генерируемого буровым насосом, после преобразования наземным резонатором.
На фиг.5 показан суммарный спектр звука АЧХ S 5 (ω), генерируемого турбобуром, и преобразованного спектра звука бурового насоса.
На фиг.6 показан спектр звука АЧХ S 4 (ω) ТБ.Р турбобура после преобразования вращающимся глубинным резонатором.
На фиг.7 показан суммарный спектр звука АЧХ S 6 (ω), преобразованного резонаторами.
На фиг.1 показано: 1 - буровой насос, 2 - нагнетательная линия, 3 - наземный резонатор, 4 - буровой шланг, 5 -гидрофон, 6 - гусак, 7 - вертлюг, 8 - скважина, 9 - бурильная колонна, 10 - вращающийся глубинный резонатор, 11 - турбобур, 12 - долото.
На фиг.2 показан спектр звука АЧХ S 1 (ω) БН, генерируемого буровым насосом с полосой частот от ω 1 до ω n с амплитудой a (индекс БН - буровой насос).
На фиг.3 показан спектр звука АЧХ S 3 (ω) ТБ, генерируемого турбобуром с полосой частот от ω 1 до ω m с амплитудой b (индекс ТБ - турбобур).
На фиг.4 показан спектр звука АЧХ, генерируемого буровым насосом, после преобразования наземным резонатором
S 2 (ω) БН.P=Δω 1+Δω БН.Р+Δω 2,
где Δω 1 - область низких частот, преобразованная резонатором из общего спектра S 2 (ω) БН.Р с амплитудой c=a+Δa (Δa - приращение амплитуды после преобразования резонатором);
Δω БН.Р - область частот, подавленная резонатором в общем спектре S 2 (ω) БН.Р (индекс БН - буровой насос, Р - резонатор);
Δω 2 - область высоких частот, преобразованная резонатором из общего спектра S 2 (ω) БН.Р с амплитудой c=a+Δа.
На фиг.5 показан суммарный спектр звука АЧХ, генерируемого турбобуром, и преобразованного спектра звука бурового насоса
S 5 (ω)=Δω 1+Δω БН.Р+Δω 2,
где Δω 1 - область низких частот, преобразованная резонатором из общего спектра S 5 (ω) с амплитудой d=b+c;
Δω БН.Р - область частот, подавленная резонатором в общем спектре S 5 (ω) с амплитудой b;
Δω 2 - область высоких частот, преобразованная резонатором из общего спектра S 5 (ω) с амплитудой d=b+c.
На фиг.6 показан спектр звука АЧХ S 4 (ω) ТБ.Р, генерируемого турбобуром, после преобразования вращающимся глубинным резонатором
S 4 (ω) ТБ.P=Δω1 +Δω БН.Р+Δω 2,
где Δω 1 - область низких частот, преобразованная резонатором из общего спектра S 4 (ω) ТБ.Р с амплитудой e=b+Δb (Δb - приращение амплитуды после преобразования резонатором);
Δω ТБ.Р - область частот, подавленная резонатором в общем спектре S 4 (ω) ТБ.Р (индекс ТБ - турбобур, Р - резонатор);
Δω 2 - область высоких частот, преобразованная резонатором из общего спектра S 4 (ω) ТБ.Р с амплитудой e=b+Δb.
На фиг.7 показан суммарный спектр звука АЧХ, генерируемого турбобуром и буровым насосом, преобразованного резонаторами
S 6 (ω)=Δω 1+Δω P+Δω 2,
где Δω 1 - область низких частот, преобразованная резонатором из общего спектра S 6 (ω) с амплитудой f=a+Δa+b+Δb;
Δω Р - область частот, подавленная резонатором в общем спектре s 6 (ω) (индекс Р - резонатор);
Δω 2 - область высоких частот, преобразованная резонатором из общего спектра S 6 (ω) с амплитудой f=a+Δa+b+Δb.
Пример осуществления способа
Первая операция. Осуществляется размещение в нагнетательной линии 2 (фиг.1) между буровым шлангом 4 (фиг.1) и буровым насосом 1 (фиг.1) наземного резонатора 3 (фиг.1). При этом буровой насос 1 (фиг.1) генерирует широкополосный спектр звуковых частот S 1 (ω) БН диапазоне ω 1-ω n с амплитудой а (фиг.2) в нагнетательную линию 2 (фиг.1), при этом происходит перераспределение частот в спектре S 2 (ω) БН.Р (фиг.4), генерируемом буровым насосом, в диапазон низких частот Δω 1 с амплитудой c=a+Δa и высоких частот Δω 2 с амплитудой c=a+Δa наземным резонатором 3 (фиг.1).
Вторая операция. Осуществляется размещение в бурильной колонне 9 (фиг.1) над турбобуром 11 (фиг.1) вращающегося глубинного резонатора 10 (фиг.1), жестко соединенного через вал турбобура с долотом 12 (фиг.1). При этом происходит генерирование широкополосного спектра звуковых частот S 3 (ω) ТБ в диапазоне ω 1-ω m с амплитудой b (фиг.3) закрытым вращающимся глубинным резонатором 10 (фиг.1), жестко связанным через вал турбобура 11 (фиг.1) с долотом 12 (фиг.1), в полость буровой колонны 9 (фиг.1), при этом происходит перераспределение частот в спектре S 4 (ω) ТБ.Р (фиг.6), генерируемом открытым вращающимся глубинным резонатором 10 (фиг.1), жестко связанным через вал турбобура 11 (фиг.1) с долотом 12 (фиг.1), в полость буровой колонны 9 (фиг.1) в диапазон низких частот Δω 1 с амплитудой e=b+Δb и высоких частот Δω 2 с амплитудой e=b+Δb.
При этом осуществляется прием гидрофоном суммарного спектра S 6 (ω) с амплитудой d=b+c (фиг.6) с подавленной Δω БН.Р с оставшейся амплитудой b от закрытого вращающегося глубинного резонатора 10 (фиг.1) и низких частот Δω 1 с амплитудой d, при этом полоса звука высокой частоты Δω 2 с амплитудой d затухает, не достигая гидрофона.
При этом осуществляется прием гидрофоном суммарного спектра S 6 (ω) с амплитудой f=a+Δa+b+Δb (фиг.7) с подавленной Δω Р открытым вращающимся глубинным резонатором 10 (фиг.1) и низких частот Δω 1 с амплитудой f, при этом полоса звука высокой частоты Δω 2 с амплитудой f затухает, не достигая гидрофона.
Способ получения забойной информации о частоте вращения вала турбобура, содержащий размещение бурового насоса, нагнетательной линии, бурильной колонны, турбобура, предусматривающий следующие операции: а) дополнительно размещают в нагнетательной линии бурового насоса наземный резонатор; б) дополнительно размещают над турбобуром вращающийся глубинный резонатор, при этом осуществляют: генерирование широкополосного спектра звуковых частот буровым насосом в нагнетательную линию; перераспределение энергии частот в спектре, генерируемом буровым насосом, в диапазон низких частот наземным резонатором; генерирование широкополосного спектра звуковых частот вращающимся глубинным резонатором, жестко соединенным с валом турбобура, в полость бурильной колонны; периодическое перераспределение энергии звуковых частот в спектре, генерируемом турбобуром, в диапазон низких звуковых частот вращающимся глубинным резонатором пропорционально частоте вращения вала турбобура.
