Устройство для контроля зенитного угла и угла установки отклонителя

 

Использование: бурение нефтяных и газовых скважин, в частности для получения информации о положении турбобура в наклонно-направленной скважине в процессе бурения. Сущность изобретения: устройство снабжено кодовой втулкой, расположенной соосно модуляторной втулке с эксцентричным грузом. Звукопоглощающий резонатор выполнен в виде корпуса верхнего и нижнего кольцевых дисков и кодовой втулки. Между корпусом и кодовой втулкой с продольными звукопоглощающими горлами расположены кольцевые диски. На нижнем кольцевом диске расположен стержень с возможностью захвата эксцентричного груза. Модуляторная втулка с эксцентричным грузом выполнена с вертикальным пазом, перекрывающим звукопоглощающие горла кодовой втулки. На модуляторной втулке на диаметрально противоположной стороне вертикального паза расположен эксцентричный груз, выполненный в виде полуколец, равномерно расположенных на образующей модуляторной втулки. 6 ил., 1 табл.

Изобретение относится к беспроводному контролю параметров при турбинном способе бурения, в частности для контроля двух параметров одним устройством: зенитного угла и угла установки отклонителя.

Известны устройства для контроля за искривлением скважины, содержащее контейнер в виде двух камер, герметичной с электронной схемой и маслонаполненной, где размещен блок инклинометрических датчиков. Блок датчиков инклинометра состоит из двух полуосей с эксцентричным грузом между ними. Ось свободно вращается в шарикоподшипниковых опорах. На верхнюю полуось насажен ротор датчика направления отклонителя и коллектор, а на нижней укреплен датчик угла кривизны [1] Недостаток устройства заключается в низкой чувствительности элементов при работе в условиях вибраций и ударов.

Наиболее близким устройством по технической сущности является устройство для контроля искривления скважины, содержащее корпус, звукопоглощающие резонаторы разной длины, модуляторную втулку с эксцентричным грузом и продольным пазом [2] Недостатком данного устройства является невозможность контроля одним устройством двух параметров: зенитного угла и угла азимута установки отклонителя.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем получения информации о двух геофизических параметрах одной резонансной камерой: при совмещении продольного паза модуляторной втулки с эксцентричным грузом со звукопоглощающим горлом установки отклонителя кодовой втулки, расположенного в одной плоскости кривого переводника формируется информация об угле установки отклонителя, а при последовательном совмещении звукопоглощающих горл зенитного угла при перемещении продольного паза модуляторной втулки с эксцентричным грузом во время вращения ее бурильной колонной через стержень захвата эксцентричного груза формируется информация об угле.

Это достигается тем, что устройство снабжено кодовой втулкой, расположенной соосно модуляторной втулке с эксцентричным грузом, звукопоглощающий резонатор выполнен в виде корпуса, верхнего и нижнего кольцевых дисков и кодовой втулки, а кольцевые диски расположены между корпусом и кодовой втулкой с продольными звукопоглощающими горлами, на верхнем кольцевом диске расположен стержень с возможностью захвата эксцентричного груза, модуляторная втулка с эксцентричным грузом выполнена с вертикальным пазом, перекрывающим звукопоглощающие горла кодовой втулки, на модуляторной втулке на диаметрально противоположной стороне вертикального паза расположен эксцентричный груз, выполненный в виде полуколец, равномерно расположенных на образующей модуляторной втулки.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство дополнительно снабжено стержнем для возможного захвата эксцентричного груза для вращения модуляторной втулки вокруг кодовой втулки.

Сравнение предлагаемого решения с другими техническими решениями показывает, что устройство для контроля угла установки отклонителя известно. Однако, при введении нового элемента в резонансную камеру, в частности стержня для возможного захвата эксцентричного груза, позволяет медленно переместить эксцентричный груз из нижнего устойчивого положения вверх (путем вращения бурильной колонны), после чего модуляторная втулка под действием веса эксцентричного груза начинает вращаться по кодовой втулке, причем чем больше величина зенитного угла, тем быстрее происходит вращение модуляторной втулки,а следовательно возрастает частота следования волновых пауз (поглощаемых частот), сформированных звукопоглощающими горлами.

Предлагаемое решение может быть неоднократно использовано на любых буровых установках до полного износа механической части при турбинном бурении нефтяных и газовых скважин.

На фиг.1 изображен продольный разрез устройства; на фиг.2 разрез А-А; на фиг. 3 разрез Б-Б; на фиг.4 разрез В-В; на фиг.5 развертка внутренней поверхности кодовой втулки со звукопоглощающими горлами; на фиг.6 спектрограммы со звукопоглощенными частотами и осциллограммы информационного сигнала, сформированные преобразователем в наземном измерительном приборе.

Устройство для контроля зенитного угла и угла установки отклонителя содержит (фиг. 1) нижний соединительный переводник 1, корпус устройства 2, нижнее регулировочное кольцо 3, нижний кольцевой диск 4, стержень осевого ролика 5, осевой ролик 6, модуляторную втулку 7, кодовую втулку 8, вертикальный паз 9, четвертое звукопоглощающее горло 10, пятое звукопоглощающее горло 11, шестое звукопоглощающее горло 12, стержень для поворота эксцентричного груза 13, внутреннюю обойму верхнего радиального ролика 14, внешнюю обойму верхнего радиального ролика 15, верхний кольцевой диск 16, верхнее регулировочное кольцо 17, верхний соединительный переводник 18, верхнюю резиновую прокладку виброизолятора 19, верхнее резиновое кольцо виброизолятора 20, стержень верхнего радиального ролика 21, верхний радиальный ролик 22, первый эксцентричный груз 23, первое звукопоглощающее горло 24, второе звукопоглощающее горло 25, третье звукопоглощающее горло 26, внутреннюю полость резонансной камеры 27, второй эксцентричный груз 28, внутреннюю обойму нижнего радиального ролика 29, нижний радиальный ролик 30, стержень нижнего радиального ролика 31, внешнюю обойму радиального ролика 32, внутреннюю обойму осевого ролика 33, внешнюю обойму осевого ролика 34, нижнее резиновое кольцо виброизолятора 35, нижнюю резиновую прокладку виброизолятора 36, шлиц для ключа 37, десятое звукопоглощающее горло 38 (фиг.3), девятое звукопоглощающее горло 39 (фиг.3), восьмое звукопоглощающее горло 40 (фиг.3), седьмое звукопоглощающее горло 41 (фиг.3).

Статический режим. Устройство для контроля зенитного угла и угла установки отклонителя собирается в следующей последовательности.

Первая операция. Между внешней 34 и внутренней 33 обоймами (фиг.1 и 4) вставляют три осевых ролика 6 и закрепляют стержнями 5.

Вторая операция. На внешнюю обойму 32 устанавливают стержни 31 и надевают на них три нижних радиальных ролика 30.

Третья операция. На стержни 31 вставляется внутренняя обойма 29 нижнего радиального ролика вместе с модуляторной втулкой 7.

Четвертая операция. На модуляторную втулку 7 последовательно надевают второй эксцентричный груз 28 и первый эксцентричный груз 23.

Пятая операция. На внутреннюю обойму 14 верхнего радиального ролика, расположенного на верхнем торце модуляторной втулки 7, устанавливают три стержня 21, три верхних радиальных ролика 22 и устанавливают внешнюю обойму 15.

Шестая операция. На верхний кольцевой диск 16 вставляют стержень 13 для поворота эксцентричного груза.

Седьмая операция. На нижний соединительный переводник 1 наворачивают корпус устройства 2.

Восьмая операция. На нижний кольцевой диск 4 надевают нижнее резиновое кольцо виброизолятора 35 и на верхний кольцевой диск 16 надевают верхнее резиновое кольцо виброизолятора 20.

Девятая операция. Во внутрь конструкции, собранной по седьмой операции, последовательно вставляют нижнее регулировочное кольцо 3, нижнюю резиновую прокладку виброизолятора 36, нижний кольцевой диск 4 с нижним резиновым виброизоляторным кольцом 35, кодовую втулку 8 и на кодовую втулку соосно надевают конструкцию, собранную по операциям 1 5,верхний кольцевой диск 16 со стержнем 13 для поворота эксцентричного груза, верхнюю резиновую прокладку виброизолятора 19, верхнее регулировочное кольцо 17 и наворачивают верхний соединительный переводник 18.

Десятая операция. На верхний соединительный переводник 18 наворачивают кривой переводник (не показан). Затем при помощи специального ключа, вставляемого в шлицы 37 (фиг. 1), разворачивают ее таким образом, чтобы звукопоглощающее горло 12 (фиг.1) совпало с плоскостью кривого переводника.

На буровой на третью секцию шпиндельного турбобура (не показан) типа 3ТСШ1-195 (или 3ТСШ-195 ТЛ) наворачивают собранное устройство нижним соединительным переводником 1.

Работа устройства для контроля зенитного угла и угла установки отклонителя основана на трех физических положениях.

Первое. Действие резонансной камеры 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 (1) где С скорость звука в трубопроводе; V объем резонансной камеры; F площадь звукопоглощающего горла; h высота горла; f собственная частота резонатора.

Чтобы получить информацию о двух параметрах достаточно использовать пять поглощаемых частот, например, одной частотой контролировать зенитный угол, тремя частотами контролировать угол установки отклонителя и одну частоту использовать как граничную при измерении зенитного угла.

Это можно сделать следующим образом.

Вдоль образующих на кодовой втулке 8 (фиг.5) расположить, например, одно звукопоглощающее горло 24 (фиг.5) на частоту поглощения f₂ 200 Гц (граничная частота), три звукопоглощающих горла 25, 26, 10 (фиг.5) на частоту поглощения f₁ 100 Гц (частоты зенитного угла), одно звукопоглощающее горло 11 (фиг. 5) на частоту поглощения f₃ 300 Гц (частота поглощения, характеризующая отклонение кривого переводника влево от вертикальной плоскости), одно звукопоглощающее горло 12 (фиг.5) на частоту поглощения f₄ 400 Гц (частота поглощения звука, характеризующая вертикальную плоскость), одно звукопоглощающее горло 41 (фиг.5) на частоту поглощения звука f₅ 500 Гц (частота поглощения звука, характеризующая отклонение кривого переводника вправо от вертикальной плоскости), три звукопоглощающих горла 40, 39 и 38 (фиг.5) на частоту поглощения f₁ 100 Гц (частоты зенитного угла).

Пример расчета геометрических параметров резонатора.

1. Внутренний диаметр переводника, 165 мм.

2. Внутренний объем резонансной камеры V 7000 см³.

3. Длина всех горл, h 12 мм.

4. Площадь горла для частоты поглощения f₁ 100 Гц, F₁ 0,5 см².

5. Площадь горла для частоты поглощения f₂ 200 Гц, F₂ 1,13 см².

6. Площадь горла для частоты поглощения f₃ 300 Гц, F₃ 3,1 см².

7. Площадь горла для частоты поглощения f₄ 400 Гц, F₄ 7,1 см².

8. Площадь горла для частоты поглощения f₅ 500 Гц, F₅ 12,6 см².

Второе. Резонансная камера, выполненная в виде втулки (кодовой втулки) и установленная соосно в корпусе внутри эксцентричного груза (модулятора) и размещенная на резиновых прокладках (кольцах) представляет собой локальный вибропоглотитель (антивибратор).

Поглощаемая частота локального вибропоглотителя из частотного спектра упругих волн определяется по формуле f (2) где f поглощаемая частота; Е модуль Юнга резинового антивибратора;
l толщина этого слоя;
S площадь контакта между М и резиновым слоем;
М масса антивибратора.

Полоса поглощения вычисляется по формуле
Δω ω₂-ω₁= ω_o[2]^1/2 (3) где η- коэффициент потерь резины.

Исходные данные.

Масса антивибратора (резонатора), М 40 кГ;
Площадь контакта между М и резиновым слоем S 155 см²;
Частота поглощения f 250 Гц (средняя между 100 и 500 Гц);
Модуль Юнга резинового слоя антивибратора Е 8˙ 10⁶ Н/м²;
Коэффициент потерь η= 0,7.

Результаты расчета.

Толщина резинового слоя l 1,3 мм.

Полоса частот эффективного вибропог-
лощения Δf 327 Гц
Третье. Вращение втулки с эксцентричным грузом по поверхности другой втулки, расположенной соосно, в первом приближении можно провести аналогию со скальзыванием с трением тела по наклонной плоскости.

Время спуска тела с наклонной плоскости при начальной скорости равной нулю определяется по формуле
t (4) где t время спуска тела с наклонной плоскости;
l длина плоскости;
α угол наклона;
g ускорение;
К коэффициент трения.

Пример расчета.

1. При внешнем диаметре кодовой втулки 102 мм, l 0,32 м.

2. Коэффициент скольжения со смазкой сталь/сталь, К 0,01.

3. В таблице приведены расчетные величины времени скольжения модуляторной втулки по кодовой втулке в зависимости от величины зенитного угла с вертикального положения (при подъеме эксцентричного груза на максимальную высоту) до устойчивого нижнего положения
Динамический режим.

При включении буровых насосов промывочная жидкость по бурильной колонне (не показано) поступает в турбобур (не показан) через внутреннюю полость кодовой втулки 8 (фиг.1).

Вpащением турбинных лопаток турбобура генерирует частотный спектр шума (фиг.6,а).

1. Режим контроля угла установки отклонителя.

В процессе бурения в вертикальной плоскости (при наборе кривизны скважины) звукопоглощающее горло 12 на кодовой втулке 8 (фиг.1 и 3) совмещенное с вертикальным пазом 9 (фиг. 1 и 3) поглощает частоту f 400 Гц (фиг.6,б) из спектра шума, генерируемого турбинными лопатками.

Если наземный измерительный прибор (не показан) зафиксирует частоту поглощения, например, f 500 Гц (фиг.6,в) совпало с вертикальным пазом 9 (фиг. 3) и плоскость действия отклонителя повернулась от вертикальной плоскости вправо.

Тогда бурильщик обязан ротором повернуть бурильную колонну по часовой стрелке до появления на индикаторе наземного прибора поглощенной частоты f 400 Гц.

Это значит, что звукопоглощающее горло 12 на кодовой втулке 8 совпало с вертикальным пазом 9 модуляторной втулки 7 (фиг.3).

Если наземный измерительный прибор зафиксирует частоту поглощения, например, f 300 Гц, то это значит, что звукопоглощающее горло 11 (фиг.3) совпало с вертикальным пазом 9 (фиг.3) и плоскость действия отклонителя наклонилась от вертикальной плоскости влево.

Тогда бурильщик должен повернуть бурильную колонну ротором по часовой стрелке до появления на индикаторе частоты поглощения f 400 Гц и продолжить бурение в этом направлении.

2. Режим контроля зенитного угла.

Для контроля зенитного угла бурильщику необходимо вращать бурильную колонну ротором в течение, например, одной минуты.

Тогда при вращении бурильной колонны (не показано) стержень 13 (фиг.1), который жестко связан с бурильной колонной через верхний кольцевой диск 16 захватит эксцентричный груз 23 (фиг.1) и начнет его поднимать из устойчивого нижнего положения в верхнее неустойчивое положение.

Эксцентричный груз поднявшись до верхнего неустойчивого положения повернет модуляторную втулку 7 (фиг.1 и 3) вокруг кодовой втулки 8 (фиг.1 и 3), при этом вертикальный паз 9 (фиг.3) последовательно совместится со звукопоглощающим горлом 41 (настроенного на частоту поглощения f 500 Гц) и тремя контрольными горлами 40, 39 и 38, настроенных на частоту поглощения f 100 Гц и зафиксирует при этом частоту поглощения f 200 Гц опорную частоту (опорная частота является разделительным сигналом между частотами 100 Гц при подъеме эксцентричного груза и его опускании).

Далее под собственным весом модуляторная втулка 7 с эксцентричным грузом 23 (фиг.3) провернется вокруг собственной оси по поверхности кодовой втулки 8 (фиг. 3), при этом вертикальный паз 9 последовательно откроет звукопоглощающие информационные горла 25, 26 и 10 (фиг.3), настроенные на частоту поглощения f 100 Гц, и горла 11 и 12.

Например, после проведенной операции вращения бурильной колонны на индикаторе наземного прибора (не показан) зафиксировалось показание зенитного угла равное 25^о. Это значит, что вертикальный паз 9, расположенный на модуляторной втулке 7 (фиг.3) последовательно совместился с отверстиями 25, 26 и 10 и сформировал три волновые паузы (на фиг.6,д представлены три импульса после преобразования волновых пауз в измерительном блоке наземного прибора) на частоте f 100 Гц за время Т₁ 0,28 с (см.таблицу).

Если на индикаторе прибора зафиксировалось показание зенитного угла равное 60^о (см. таблицу), то это значит, что время проворота модуляторной втулки уменьшилось и составило Т₂0,195 с (см.таблицу), при этом также сформировались три информационных импульса (фиг.6,е), но уже за время Т₂.

Предлагаемое устройство для контроля зенитного угла и угла установки отклонителя при его реализации позволит по сравнению с известными техническими решениями уменьшить время проводки скважины за счет правильного выбора режима бурения согласно геолого-технологического наряда.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗЕНИТНОГО УГЛА И УГЛА УСТАНОВКИ ОТКЛОНИТЕЛЯ, содержащее корпус, звукопоглощающий резонатор, модуляторную втулку с эксцентричным грузом и вертикальным пазом, отличающееся тем, что устройство снабжено вторым эксцентричным грузом, расположенным на модуляторной втулке, эксцентричные грузы выполнены в виде полуколец и расположены оппозитно вертикальному пазу, звукопоглощающий резонатор выполнен в виде расположенной соосно с модуляторной втулкой кодовой втулки с продольными звукопоглощающими отверстиями и установленных на торцах втулки верхнего и нижнего кольцевых дисков, перекрывающих пространство между корпусом устройства и кодовой втулкой, при этом на верхнем кольцевом диске расположен стержень с возможностью захвата верхнего эксцентричного груза.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7