Устройство для контроля положения отклонителя,азимута и зенитного угла скважины при турбинном бурении

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ОТКЛОНИТЕЛЯ, АЗИМУТА И ЗЕНИТНОГО УГЛА СКВАЖИНЫ ПРИ ТУРБИННОМ БУРЕНШ, содержащее корпус,, датчик азимута и зенитного угла, задатчик азимута отклонителя с релейным вь1ходом, автономный источник питания, канал связи, о т л и ч а ющ ё е с я тем, что, с целью повышения точности поддержания необходимого положения отклонителя в про- tfecce бурения, оно часовым .механизмом с выходным валом, датчик азимута выполнен в виде тела вращения со смещенный центром,тяжести и с контактной группой опроса и ;контроля азимута и отклонителя, включающей четыре полуконгакта,а датчик зенитного угла выполнен в ви;де консольно укрепленной в подшипниковой опоре, траверсы с размещенными на ее боковой стешсе контактами наклона скважины, а в торцевой ее части установлено коническое :колесо с жестко закрепленной на нем контактной пластиной и вилкой с отвесом и контактами опроса и контроля вертикального направления, при этом кони«1еское колесо кинематически связано с часовым .механизмом а конг такты наклона скважины и контроля вертикального направления злектрически соединены с контактом опроса датчика, причем контактная группа электрически связана с контактом опроса азимута, а два ее полуконтакта установлены на валу часового механизма, контакты опроса датчиков азимута и зенитного угла соединены с релейным выходом задатND чика азимута отклонителя. :о N9

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

ОЗШЧИРП

РЕСПУБЛИН

0% (И) щ) К 21 В 47 022

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3501634/22-03 (22).20. 10.82 (46) 07.12.84. Бюл. Ф 45 (72) Н.Н. Ногач . (71) Центральная научно-Hccneposàтельская лаборатория Производствен-ного объединения "Укрнефть" (53) 622.242{088.8) (56): 1. Авторское свидетельство СССР

9 933969, кл. Е 21 В 47/022, 1980. (54){57) УстыйСТВО ДЛЯ КОНТРОЛИ

ПОЛОЖЕНИЯ ОТКЛОНИГЕЛЯ, АЗИМУТА И

ЗЕНИТНОГО УГЛА СКВАЖИНЫ ПРИ ТУРБИН

НОИ БУРЕНИИ, содержащее корпус,. датчик азимута и зенитного угла, эа., датчик азимута отклонителя с релейным выходом, автономный источник питания, канал связи, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности поддержания необходимого положения отклонителя в процессе бурения, оно снабжено часовым механизмом с выходным валом, датчик азимута выполнен в виде тела вра- . щения со смещеннвп4 центром. тяжести и с контактной группой опроса и контроля азимута и отклонитеяя, включающей четыре полуконтакта, а 4 датчик зенитного угла выполнен в виде консолъно укрепленной в .подюипниковой опоре траверсы с размещенными на ее боковой стенке контактами наклона скважины, а в торцевой ее части устан6влено коническое колесо с жестко закрепленной на нем контактной пластиной и вилкой с отвесом и контактами опроса и контроля вертикального направления, при этом коническое колесо кинематически связано с часовым .механизмом, а контакты наклона скважины и контроля вертикального направления электрически соединены с контактом. опроса датчика, причем контактная группа электрически связана с контактом опроса датчика азимута, а два ее полуконтакта установлены на валу часового механизма, контакты опроса датчиков азимута и зенитного угла соединены с релейным выходом задатчика азимута отклонителя.

972

1 1127

Изобретение относится к бурению направленных нефтяных и газовых скважин турбинным способом.

Известно устройство для ориентации отклонителя при турбинном бурении, содержащее задатчик азимута, датчик гидроимпульсов с клапаном, автономный источник питания, распределитель воздуха, две емкости, од- . на иэ них приемная, а другая знпол- Ы иена сжатым воздухом. Привод датчи-; ка гидроимпульсов выполнен в виде пневмоцилиндра со штоком, причем полость пневмоцилиндра электрически связана через распределитель и ем- 15 кости с задатчиком азимута, а шток жестко соединен с клапаном Ц .

Недостаток известного устройства заключается в отсутствии информации .об изменении азимута и зенитного 20 угла ствола скважины при .известном, заданном направлении очклонителя по азимуту в непосредственном процессе бурения.

Цель изобретения - повышенше точ- 25 с ности поддержания необходимого поло- жения отклонителя в процессе направленного бурения скважины.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для контроля поЗО ложения оФклоиителя, азимута и зенитного угла скважины нри турбинном бурении, содержащее корпус, датчик азимута и зенитного угла, задатчик азимута отклонителя с релейным выкодом, автономный источник питания и канал связи, снабжено часовым механизмом с выходным валом, датчик азимута выполнен в корпусе в виде тела вращения со смещенным центром тяжести и с контактной группой опроса и контроля азимута и отклонителя, включающей четыре полуконтакта, а датчик зенитного угла выполнен в виде консольно укрепленной в подшип- 45 никовой опоре траверсы с размещеннымна ее боковой стенке контактами наклона скважины, а в торцевой ее части установлено коническое колесо с жестко закрепленной на нем контакной пластиной и вилкой с отвесом и контактаии опроса и контроля вертикального направления, при этом коническое колесо кинематически связано с часовым механизмом, а контак-,55 ты наклона скважины и контроля вертикального направления электрически соединены с контактом опроса датчика, причем контактная группа элект-. рически связана с контактом опроса датчика азимута, а два ее полуконтакта установлены на валу часового механизма, контакты опроса датчиков азимута и зенитного угла соединены с релейным выходом задатчика азимута отклонителя.

На фиг. 1 и 2 представлена конструкция устройства; на фиг. 3 -. принципиальная электропневмокинематнческая схема; на фиг. 4 » иллюст5 рация временных разверток гидроимпульсов, несущих информацию о положении отклонителя, азимута и. зенитного угла скважины.

Устройство (фиг. 1) представляет собой элемент бурильной колонны, состоящий из корпуса t и установлен» ных в нем задатчика 2 азимута отклонителя блока 3; датчиков азимута и зенитного угла скважины, автономного источника 4 питания, гидровклю чателя 5 питания, датчика 6 гидроимпульсов и привода датчика гидроимпульсов.

Привод датчика гидроимпульсов включает в себя пневмоцилиндр 7, полости 8 и 9 которого сообщены по средством воздуховодов 10-13 через электроуправляемый распределитель t4 с емкостью 15 сжатого воздуха и приемной емкостью 16, которая предварительно заполнена воздухом с атмосферным давлением. Соотношение объемов емкости 15 со сжа-. тым воздухом и приемной емкости 16 по отношению к объему рабочих камер

8 и 9 пневмоцилиндра 7 подбираются с учетом необходимого количества срабатываний привода датчика гидроимпульсов в процессе установки отклонителя в заданном азимуте, а так же срабатываний привода при опросе блока 3 датчиков азимута и зенитного угла скважины. При этом отработанная часть воздуха, переходя в приемную емкость 16 не должна вызывать значительное понижение давления в емкости 15 сжатого воздуха.

Датчик 6 гидроимпульсов представляет собой концентрически расположенный по отношению к корпусу 1 с определенным зазором цилиндр, в верхней части которого выполнено седло 17 клапана 18. Последний жестко связан со штоком 19 и соответственно с поршнем 20 пневмоцилиндра 7. Датчик

3 1

6 гидроимпульсов предназначен для . создания дополнительного перепада давления за счет увеличения гидравлического сопротивления потоку промывочной жидкости при закрытом состоянии клапана 18. При этом в циркуляционной линии буровых насосов возникает избыточное давление, которое незначительно выше номинального т.е. рабочего давления.

Задатчик 2 азимута отклонителя (фиг. 1 и 3} включает в себя фазочувствительный элемент 21, источник

22 света и асимметричную магнитную стрелку 23 ° Фоточувствительный элемент 21 электрически связан с усилителем 24 постоянного тока, на выходе которого установлено электромагнитное реле 25. В зависимости от положения отклонителя по азимуту в процессе бурения задатчик 2 азимута осуществляет управление распределителем 14 путем коммутирова-. ния напряжения от источника 4 питания через токовод 26 на катушку 27 или катушку 28.

Блок 3 датчиков азимута и зенитного" угла скважины (фиг. 1 и 2) представляет собой кинематически связанную систему с контактным выходом и содержится в цельном корпусе 29. Основным элементом в блоке

3 датчиков является часовой механизм

30 а выходным валом 31, который в конце его винтовой ннрезки установ-. лен в подшипниковой опоре 32. !

Датчик азимута скважины. представляет собой ротор 33 в виде тела вращения со смещенным от оси вращения

s радиальном направлении центром тяжести. Ротор 33 увтановлен в подшипниковых опорах 34 и 35. В верх-. нем торце ротора 33 установлена нижняя половина контакта 36 контроля азимута скважины. Верхняя половина этого контакта жестко укреплена на валу 31. В одной плоскости с ням на валу 31 укреплена и нижняя половина контакта 37 контроля отклокителя. Верхняя полонина контакта

37 устанавливается в радиальной плоскости корпуса 29 в заданном направлении действия отклонителя.

Датчик зенитного угла скважины размещен в нижнем отсеке корпуса 29 и выполнен в виде траверсы 38, которая к6нсольно укреплена в поддипниковой опоре 39 с возможностью про127972!

20 также может замыкаться пластиной 44.

$0

4 ворачивания. В торце траверсы 38 на оси 40 установлено коническое колесо 41, которое посредством шестерни 42 кинематически связано с ведущей шестерней 43, жестко связанной с валом 31. На свободном торце колеса 41 установлена контактная пластина 44, выполненная с возможностью замыкания контакта 45 наклона скважины, укрепленного жестко на траверсе 38 в плоскости, составленной осями 40 и 46. На оси 40 установлена вилка 47 с возможностью поворачивания на угол не менее 90

В торце вилки 47 укреплен отвес 48, В плоскости, составленной осью 40 и центральной осью вилки 47 на боковой ее стенке, установлен контакт 49 вертикального направления, который

В верхней части блока 3 датчиков, размещены контакт 50 опроса азимута скважины и контакт 51 зенитного уг. ла с возможностью замыкаться контактной пластиной 52, укрепленной на гайке 53. Последняя составляет винтовую пару с нарезной частью вала 31. Для линейного перемещения гайки 53 вдоль оси вала 31 и исключения ее вращательного движения на ней радиально укреплен кронштейн

54, который другим своим концом связан с направляющей 55.

Контакты 36,37,45, 49,50 и 51 конструктивно выполнены таким образом, что с учетом кинематических связей и воздействующих на них элементов (вала 31., колеса 41 и-гайки

53) они имеют различную по времени выдержку включенного состояния.

Этого можно достичь, например, при различной длине их контактной дорожкиЕстественно, это не воздействует на работу часового механизма ЗО, т.е. обороты вала 31 всегда сохра няются постоянными.

Контакт 50 опроса азимута скважины должен иметь по времени такую . выдержку включенного состояния sa счет скользящего перекрытия пластикой 52, чтобы обеспечить не менее одного оборота вала 31, т.е. при этом необходимо иметь одно включение контакта 36 контроля азимута скважины и два включения контакта 37 контроля отклонителя для получения замкнутого цикла опроса.

1127972

Контакт 51 опроса зенитного угла скважины должен иметь временную выдержку включенного состояния за счет скользящего перекрытия его пластиной 52, чтобы обеспечить не менее одного оборота колеса 41. При этом необходимо иметь одно включение контакта 49 вертикаЛьного направления и два включения контакта 45 на клона скважины также с целью получения замкнутого цикла опроса.

В зависимости от желаемого количества опросов азимута и зенитного угла скважины в процессе отработки долота на забое можно установить последовательно несколько нар контактов 50 и 51.

Устройство работает следующим образом. !

Перед спуском бурильной колонны задатчик 2 азимута .отклонителя настраивается в нужном, т.е. заданном, направлении бурения. В этом же направлении устанавливается отклонитель и верхняя половина контакта 37 контроля отклонителя в блоке датчиков.. Включается часовой механизм ЗО, при этом гайка 52 устанавливается

1 на некотором удалении от контактов

50 и 51 .с расчетом включения их. пластиной 52 через определенное время, которое должно учитывать время спуска инструмента и время первого контрольного замера азимута и зенитного угла скважины по необходимости.

Производится настройка гидровключателя 5 с учетом гидродинамического давления на забое для включения источника 4 питания.

Осуществляется спуск инструмента с выполнением всех технологических приемов с достижением режимных па. раметров бурения. При отклонении про водки скважины от заданного направления жестко связанная система фоточувствительный элемент 21 - источ" ннк 22 света смещается от северного направления магнитной стрелки 23.

При этом световой поток от источника 22 света, свободно попадая на фоточувствительный элемент 21, вызывает в нем увеличение тока. Усиленный усилитель 24 постоянного тока сигнал включает электромагнитное реле 25, в результате чего замыка ется нормально открытый контакт РН„, в цепи катушки 27, Это в свою очередь приводит к срабатыванию распрены в нужный момент бурения при сов40 падении положения отклонителя с заданным направлением производится следующим образом.

В заданное время в блоке 3 датчиков пластина 52 перекрывает контакт

50, что означает начало опроса дат45 чика азимута скважины. Первоначально выставленные в одной плоскости верхняя половина контакта 37- и нижняя половина контакта 36 совпадают

50 и их включение полуконтактами, жестico связанными с вращающимся валом 31, происходит одновременно.

В случае несовпадения плоскости действия отклонителя и апсидальной плоскости скважины возникает смещение между верхней половиной контакта 37 контроля отклонителя и ннжнеЯ делителя 14, и полость 8 пневмоцилиндра 7 соединяется с емкостью 15 сжатого воздуха. Шток 19 с клапаном

18 перемещается на перекрытие сед5 ла 17 датчика 6 гидроимпульсов. Одновременно воздух с полости.9 страв ливается в приемную емкость 16. При перекрытии проходного канала датчика 6 гидроимпульсов происходит

10 увеличение давления в нагнетающей линии. бурового насоса, по которому судят о смещении положения отклонителя от заданного.(На фиг. 4а случай отхода отклоннтеля от заданного на15 правления изображен графически избыточным давлением Р во времени Т).

Восстановление заданного положения отклонителя осуществляется путем проворота бурильной колонны ротором

20 буровой установки. При этом магнитная стрелка 23 перекрывает световой поток от источника 22 света на фоточувствительный элемент 21» что приводит к запиранию усилителя 24.

25 Реле 25 выключается и катушка 27 обесточввается. Нормально закрытый контакт. Р„ обеспечивает подачу питанйя на электромагнитную катушку

28, что приводит к переключению pacg0 -пределителя 14 и, как следствие; смещению клапана 18 на открытие седла .17, т.е. центрального проходного отверстия датчика 6 гидроимпульсов.

Такое состояние сохраняется до тех пор, пока положение отклонителя сов - падает с заданным (фиг. 4g, номиналь— нее давление Ри в нагнетающей линии буровых насосов во времени Т). . Измерение азимута ствола скважи7 1127 .половиной контакта 36 контроля азимута скважины на угол между плоскостями. Нижняя половина контакта36, находясь в диаметрально противоположной стороне центра тяжести ротора 33, всегда занимает положение в апсидальной плоскости скважины. Таким образом, при вращении вала 31 происходит поочередное. замыкание контактов 37 и 36. с определен.,ным сдвигом по времени, пропорциональным углу между апсидальной плоскостью скважины и плоскостью действия отклонителя, т.е. заданным его направлением. . 15

Плюс от источника 4 питания (фиг. 3) через замкнутый контакт . гидровключателя 5 и, соответственно, замкнутый контакт 50 а также поо) чередно включающиеся контакты 37 и 2р

36 подается на реле 25, которое со стороны минуса залитано постоянно. . В зависимости от длительности включенного положения контактов 37 и 36 реле 25, срабатывая, своими контактами Р„ и Ри производит переключение катушек 27 и 28 .распределителя

14, что как следствие вызьгвает перемещение клапана 18 к седлу 17 и держит его в закрытом положении с длительностью включенного состояния контактов 37 и 36. Закрытое положение клапана 18 вызывает импульсы давления в нагнетающей линии буровых насосов с изменением номинального Рн значения давления до избы35 точного Р . На фиг . 4g изображен график зависимости изменения давления во времени, где Т1 — длитель,ность гидроимпульса, йолучаемого от

40 контакта 37 контроля отклонителя, Т - длительность гидроимпульса от контакта 36 контроля азимута скважины. Время Т между этими импУльса ми определяет временную развертку

45 измеряемого узла между апсидальной плоскостью скважины и плоскостью действия отклонителя, а время Т соответствует полному. круговому циклу опроса.

59

Таким образом„ имея.значение времени Т, а также времени Т, соот- ветствующего круговому циклу, определяют угол между апсидальной плоскостью скважины и плоскостью действия55. отклонителя. ..Замер зенитного угла скважины производится следующим образом.

972

В определенное время в блоке 3 датчиков пластина 52 перекрывает контакт 51, что является началом опроса зенитного угла скважины. Колесо 41, равномерно вращаясь,"поочередно производит включение контактов

45 и 49. В строго вертикальной сква-.. жине эти контакты занимают диаметрально противоположные положения по отношению к оси 40. В наклонном стволе скважины вилка 47 при воэдействии отвеса 48, проворачивая траверсу 38, занимает вертикальное положение (вместе с ней и контакт 49).

Таким образом, величина смещения контакта 49 по отношению к первоначальному его расположению (контакту

45, укрепленному на траверсе 38) и определяет зенитный угол ствола сква жины- в точке замера.

Плюс от источника 4 питания (фиг. 3) через контакт гидравключателя 5, контакт 51, а также поочередно включенные контакты 45 и 49 подается на реле 25, как и при on-росе азимута скважины. В зависимости от длительности включенного положения контактов 45 и 49 реле 25, срабатывая, своими контактами Р

Ьо и Р > производит переключение ка.тушек 27 и 28 распределителя 14. Это, в свою очередь, вызывает перемещение клапана. 18 к седлу 17 н держит его в закрытом положении с длительностью включенного состояния контактов 45 и 49. На фиг. 48 изображен график зависимости изменения давления во времени, где Т вЂ” длительность гидроимпульса, получаемого от контакта 45 наклона скважины, Т6 длительность гидроимпульса от контакта 49 вертикального направлении.

Время Т> между этими импульсами определяет временную развертку угла между направлением наклона скважины и вертикальным направлением, а время Тв соответствует полному кру-, говому.циклу опроса. В вертикальной скважине импульс Т занимает среднее положение времени.Т8. Таким образом, учитывая предварительное расположение контактов 45 и 49, а также имея значения времени Т1, между импульсами и Т, соответствующее круговому циклу, определяют зенитный угол скважины.

Рсширение функциональных возможюстей устройства sa счет наличия

1127972 блока датчиков азимута и зенитного угла скважины способствует сокращению потерь времени на дополнительные геофизические работы, связанные с контрольными замерами азимута и зенитного угла при направлен. ном бурении с целью предотвращения отклонений ствола скважины от проектного направления. Это, в свою . очередь, нацелено на сохранение 1 сетки разведки и разработки нефтяных месторождений. Осоебенно много времени теряется на геофизические работы при ориентировании отклоняющей компоновки в случае правки ствола скважины, т.е. когда ствол уходит от проектного направления на значительную величину. Нри этом, применяя предлагаемое устройство, существует возможность вообще йе допустить подобного случая.

Точность поддержания необходимого положения отклонителя в непосредственном процессе бурения гарантируется конструктивным решением взаимосвязи задатчика азимута отклонителя и датчика азиму.та скважины, которые перед спуском бурильной колонны настраиваются в строго одном известном направлении.

Вместе с тем при установке отклонителя по определенному азимуту существует возможность по отношению к данному углу по обе стороны расширить сектор срабатывания оптико-электронной схемы. Например, это можно выполнить если взять сектор с углом

6 порядка 30 флажка, который укреплен с возможностью вращения на оси магнитной стрелки и служащий для перекрытия источника света от фоточувствительного элемента в задатчике азимута отклонителя. В таком случае, по отношению к заданному положению отклонителя возможно внести коррекцию угла влево или вправо до 15 при необходимости

0-. поворотом бурильной колонны. На конкретный необходимый угол коррекции может указать датчик азимута

10 скважины. Таким образом, используя датчик азимута скважины, возможно на первоначальном этапе бурения осуществить контроль заданного положения отклонителя по отношению к азн15 муту скважины, а также на определен ном промежутке времени бурения внести коррекцию угла отклонителя до необходимого значения в соответст-. вии с проектным профилем ствола

g0 скважины.

Ъ

Наличие датчика зенитного угла и его замеров позволяет уточнить соответствие компановки бурильной колонны с целью достижения необходи25 мой интенсивности искривления определенного интервала ствола скважины., Применение предлагаемого устройства позволит за счет сокращения спускопбдьемньи операций геофизиЗ0 ческой аппаратуры для ориентирования отклоняющей компановки и контрольных замеров пространственного положения ствола скважины сократить время проводки скважины и тем самым снизить ее стоимость.

Использование предлагаемого устройства может найти широкое применение при бурении кустовым методом, распространенным при проводке скважин на месторождениях Севера и Дальнего Востока СССР.

1127972

50

37

Эб

З

53

51

112? 9?2

_#_

З

92

Ж й

1127972

1127972

Фиг, Составитель И. Карбачинская

Редактор О. Ррковецкая fexyeg g.дегева . Корректор Н. Король

Заказ 9002/23 Тираа 564 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 ° Москва ° 3-35, Раувская на6., д. 4/5

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