Телеметрическая система для контроля числа оборотов вала турбобура

 

Использование: бурение нефтяных и газовых скважин, в частности для получения информации о частоте вращения вала турбобура. Сущность изобретения: система снабжена последовательно соединенными блоками декодирования, сравнения трех сигналов, расположенными между усилителем и блоком регистрации и отображения информации, блок декодирования выполнен в виде трех каналов, каждый из которых состоит из полосового фильтра, детектура, логического элемента И НЕ, блока вычисления длительности импульса τ и периода их следования T, блока проверки на скважность c = T/τ кроме того забойный датчик информационных сигналов выполнен в виде резонансного глушителя, а забойный модулятор выполнен в виде трубы с продольным сквозным пазом, расположенным внутри кодовой перфорированной трубы, причем забойный излучатель выполнен в виде турбинных лопаток турбобура. 3 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 [1] Недостатком известной телеметрической системы является низкая помехоустойчивость и точность передачи информации.

Наиболее близкой к предлагаемой является 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.

Недостатком известной телеметрической системы 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.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости и точности передачи забойной информации путем введения кода при формировании информации в процессе измерения технологического параметра и извлечения ее из спектра шума наземной измерительной аппаратурой.

Цель достигается тем, что система снабжена последовательно соединенными блоками декодирования, сравнения трех сигналов, расположенных между усилителем и блоком регистрации и отображения информации, блок декодирования выполнен в виде трех каналов, каждый из которых состоит из полосового фильтра, детектора, логического элемента И-НЕ, блока вычисления длительности импульса τ и периода их следования Т, блока проверки на скважность c T/τ кроме того забойный датчик информационных сигналов выполнен в виде резонансного глушителя, а забойный модулятор выполнен в виде трубы с продольным сквозным пазом, расположенным внутри кодовой перфорированной трубы, причем забойный излучатель выполнен в виде турбинных лопаток турбобура.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство дополнительно снабжено блоком декодирования и блоком сравнения трех сигналов.

Таким образом предлагаемое изобретение соответствует критерию "Новизна".

Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что телеметрическая система для контроля числа оборотов вала турбобура известна. Однако при введении новых элементов в систему, в частности кодовой перфорированной трубы, настроенной на три частоты поглощения звука, позволяет при вращении модулятора одновременно кодировать в спектре шума, генерируемого турбинными лопатками турбобура, три информационных сигнала об одном и том же технологическом параметре, повышая помехоустойчивость и точность передачи информации.

В наземной части аппаратуры новые элементы позволяют, в частности блок вычисления длительности импульса τ и периода их следования Т, с последующим сравнением трех сигналов осуществлять жесткий контроль за технологическим параметром в случае зашумленности одного или двух сигналов одновременно при прохождении информации по каналу связи.

Таким образом предлагаемое изобретение соответствует критерию "Изобретательский уровень".

Предложенное решение может быть неоднократно использовано на любых буровых установках до полного износа механической части и элементной базы наземного прибора при турбинном бурении нефтяных и газовых скважин.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "Промышленная применимость".

На фиг.1 изображена структурная схема телеметрической системы для контроля числа оборотов вала турбобура; на фиг.2 забойный датчик резонансный глушитель и забойный модулятор труба с продольным сквозным пазом; на фиг.3 спектрограммы и осциллограммы информационного сигнала.

Структурная схема телеметрической системы содержит: 1 забойный излучатель; 2 забойный датчик; 3 забойный модулятор; 4 бурильную колонну; 5 приемник; 6 усилитель; 7 блок декодирования; 8 блок сравнения трех сигналов; 9 блок регистрации и отображения информации; 10.1 полосовой фильтр, настроенный на частоту f₁; 10.2 полосовой фильтр, настроенный на частоту f₂; 10.3 полосовой фильтр, настроенный на частоту f₃; 11.1-11.3 детекторы; 12.1-12.3 логические элементы И-НЕ; 13.1 блок вычисления длительности импульса τ₁ и периода их следования Т₁ на частоте f₁; 13.2 блок вычисления длительности импульса τ₂ и периода их следования Т₂ на частоте f₂; 13.3 блок вычисления длительности импульса τ₃ и периода их следования Т₃ на частоте f₃; 14.1 блок проверки на скважность c₁ T₁/τ₁ для частоты f₁; 14.2 блок проверки на скважность c₂ T₂/τ₂ для частоты f₂; 14.3 блок проверки на скважность c₃ T₃/τ₃ для частоты f₃.

Забойный датчик содержит: 15 нижний соединительный переводник; 16 вал-модулятор; 17 продольный сквозной паз; 18 центральную кодовую перфорированную трубу; 19 внутреннюю полость резонансного глушителя; 20 корпус; 21 верхнее упорное кольцо; 22 верхний соединительный переводник; 23 первое звукопоглощающее горло на информационную частоту поглощения f₁; 24 второе звукопоглощающее горло на информационную частоту поглощения f₂; 25 третье звукопоглощающее горло на информационную частоту f₃; 26 нижнее упорное кольцо; 27 окно для прохода промывочной жидкости; 28 соединительную полумуфту.

Статический режим. Забойный датчик для контроля частоты вращения вала турбобура размещается над третьей секцией шпиндельного турбобура типа ЗТСШ1-195 (или ЗТСШ-195 ТЛ).

Сборка датчика: в корпус 20 вставляется нижнее упорное кольцо 26 (фиг. 2), далее наворачивается нижний соединительный переводник 15. Внутрь корпуса 20 вставляется центральная кодовая перфорированная труба 18 до упора с нижним упорным кольцом 26, затем вставляют верхнее упорное кольцо 21 и наворачивают верхний соединительный переводник 22.

На буровой торец вала турбобура (не показан) надевают на шлицы забойный модулятор вал-модулятор 16 посредством соединительной полумуфты 28 и наворачивают на корпус турбобура (не показан) забойный датчик с собранными элементами.

Действие резонансного глушителя 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 f где с скорость звука в трубопроводе; V объем резонансной камеры; F площадь зваукопоглощающего отверстия (горла); h высота горла.

Чтобы повысить помехоустойчивость и точность передачи забойной информации, достаточно контролируемый параметр передать по каналу связи одновременно несколькими сигналами, например, тремя поглощаемыми частотами. Тогда в случае зашумленности одного или двух сигналов в любой комбинации информация о контролируемом параметре выделяется.

Это можно сделать следующим образом.

Вдоль образующей центральной трубы 18 (фиг.2) располагаются, например, три звукопоглощающих отверстия F₁, F₂, F₃, причем каждое отверстие при одном объеме резонансного глушителя будет поглощать три частоты f₁, f₂ и f₃.

Тогда при одновременном открывании валом-модулятором 16 (фиг.2) трех звукопоглощающих отверстий (горла 23-25) в шумовом спектре звуковой вибрации произойдет поглощение трех частот f₁, f₂ и f₃одновременно. Кроме того при заданной ширине звукопоглощающих отверстий (при одинаковой ширине всех трех отверстий) будет одинаковой и скважность, т.е. отношение периода к длительности импульса.

Таким образом заданная геометрией постоянная скважность и трех поглощаемых одновременно частот об одном и том же параметре является кодом.

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 F₁ 0,7 см²; резонансная частота поглощения для F₁, f₁ 200 Гц; площадь отверстия F₂ 1,58 см²; резонансная частота поглощения для F₂, f₂ 300 Гц; площадь отверстия F₃= 2,8 см²; резонансная частота поглощения для F₃, f₃ 400 Гц.

Динамический режим. При включении буровых насосов промывочная жидкость по бурильной колонне (не показана) поступает в турбобур (не показан) через внутреннюю полость вала-модулятора 16 (фиг.2) и промывочные окна 27 (фиг.2).

Вращение вала турбины (не показан) через соединительную полумуфту 28 (фиг.2) приводит во вращение вал-модулятор 16. На каждый оборот вала турбины продольный сквозной паз 17 вала-модулятора 16 совмещается со звукопоглощающими отверстиями 23-25 акустического резонатора, в результате чего происходит поглощение энергии частот f₁ 200 Гц, f₂ 300 Гц и f₃ 400 Гц, выполняя операцию амплитудно-импульсной модуляции.

На фиг.3,а приведена спектрограмма шумового процесса, генерируемого турбинками турбобура.

На фиг.3,б та же спектрограмма, но при поглощенной частоте f₁ 200 Гц от первого звукопоглощающего отверстия F₁, f₂ 300 Гц от второго звукопоглощающего отверстия F₂ и f₃ 400 Гц от третьего звукопоглощающего отверстия F₃.

Эта информация распространяется по бурильной колонне 4 (фиг.1), принимается приемником 5, усиливается усилителем 6, поступает на полосовой фильтр 10.1, настроенный на частоту f₁ 200 Гц, на полосовой фильтр 10.2, настроенный на частоту f₂ 300 Гц, и на полосовой фильтр 10.3, настроенный на частоту f₃ 400 Гц. Все три информационных сигнала детектируются детекторами 11.1, 11.2 и 11.3 и инвертируются элементами И-НЕ 12.1, 12.2 и 12.3.

В блоке 13.1 (фиг. 1 и 3, г) замеряется длительность волновой паузы (импульса время поглощения частоты), сформированной забойным датчиком на частоте f₁ 200 Гц, и интервал между ними (периодическое перекрывание валом-модулятором звукопоглощающего отверстия формирует последовательность волновых пауз (для примера скважность выбрана 4).

В блоке 13.2 (фиг. 1 и 3,д) осуществляется вычислительная операция, аналогичная операция, выполняемой блоком 13.1, но на частоте f₂ 300 Гц.

В блоке 13.3 (фиг. 1 и 3,е) осуществляется вычислительная операция, аналогичная операции, выполняемой блоком 13.1, но на частоте f₃ 400 Гц.

В блоке 14.1 осуществляется проверка информационного сигнала на скважность c₁ T₁/τ₁ для частоты f₁.

В блоке 14.2 осуществляется проверка информационного сигнала на скважность c₂ T₂/τ₂ для частоты f₂.

В блоке 14.3 осуществляется проверка информационного сигнала на скважность c₃ T₃/τ₃ для частоты f₃.

В блоке 8 сравнения (фиг.1) три сигнала сравниваются и преобразуются в последовательность импульсов пропорционально числу оборотов (фиг.3,к) далее поступают в блок 9 регистрации и отображения информации.

В случае зашумления сигнала, например, на частоте поглощения f₂ 300 Гц (фиг. 3,в) кодовая информация перераспределится следующим образом: по каналу преобразования частоты f₁ 200 Гц, на выходе блока 14.1 сигнал имеет вид, изображенный на фиг.3,ж по каналу преобразования частоты f₂ 300 Гц; на выходе блока 14.2 сигнал имеет вид, изображенный на фиг.3,з; по каналу преобразования частоты f₃ 400 Гц на выходе блока 14.3 сигнал имеет вид, изображенный на фиг.3,и.

В блоке 8 сравнения (фиг.1) три сигнала сравниваются в последовательности импульсов от двух сигналов f₁ 200 Гц и f₃ 400 Гц (при отсутствии сигнала на частоте f₂ 300 Гц), представленных на фиг.3,к и далее, поступают на блок 9 регистрации и отображения информации.

Если в процессе бурения скважины произойдет зашумленность частот, например f₁ 200 Гц и f₃ 400 Гц (или любая другая комбинация), то наземный прибор все равно покажет забойную информацию о частоте вращения вала турбобура.

Предложенная телеметрическая система для контроля числа оборотов вала турбобура при его реализации позволит по сравнению с известными техническими решениями увеличить механическую скорость и проходку на долото за счет поддержания заданного значения осевой нагрузки по геолого-технологическому наряду.

Формула изобретения

ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЧИСЛА ОБОРОТОВ ВАЛА ТУРБОБУРА, содержащая забойный излучатель, забойный датчик информационных сигналов, соединенный с забойным модулятором, приемник, усилитель и блок регистрации и отображения информации, отличающаяся тем, что она снабжена блоком декодирования и блоком сравнения трех сигналов, а блок декодирования выполнен из трех каналов, содержащих последовательно соединенные полосовой фильтр, детектор, элемент И-НЕ, блок вычисления длительности импульса τ и периода их следования T и блок проверки на скважность C=T/τ, при этом выход приемника соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входами полосовых фильтров, а выходы блоков проверки на скважность C=T/τ соединены с входом блока сравнения трех сигналов, выход которого соединен с входом блока регистрации и отображения информации, кроме того, забойный датчик информационных сигналов выполнен в виде резонансного глушителя, забойный модулятор выполнен в виде трубы с продольным сквозным пазом, расположенным внутри кодовой перфорированной трубы, а забойным излучателем являются турбинные лопатки турбобура.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3