Способ передач информации о параметрах режима бурения и управления гидравлическими забойными двигателями и устройство для его осуществления

 

Изобретение предназначено для добычи нефти и газа и может быть использовано при контроле параметров режима бурения и автоматическом его регулировании. Технической задачей изобретения является повышение информативности и точности передачи информационного сигнала и сигналов управления по гидроканалу от забоя до устья скважины. Изобретение характеризуется тем, что на пути движения бурового раствора устанавливают гидравлическую турбину с электрогенератором на полом валу гидротурбины, расположенную над забойным двигателем и долотом, и в гидроканале создают импульс гидроудара повышенного давления периодическими включениями или отключениями обмотки якоря электрогенератора на короткое замыкание. Устройство включает в себя забойный двигатель с долотом, систему управления, датчики, связанные с системой управления, тахогенератор скорости вращения забойного двигателя и две автономные системы, установленные на забое и устье скважины, причем каждая автономная система содержит гидротурбину с полым валом, электрогенератор, постоянные магниты которого жестко закреплены на полом валу, основную обмотку электрогенератора, которая через тиристорный короткозамыкатель и формирователь импульсов управления соединена с информационно-вычислительным блоком и блоком питания, при этом электрогенератор автономной системы на забое снабжен вспомогательной обмоткой, соединенной через блок питания с ее информационно-вычислительным блоком, а пульт управления и дисплей автономной системы в устье скважины с ее информационно-вычислительным блоком, а на электрогенераторах обоих автономных систем установлены датчики давления, связанные со своими информационно-вычислительными блоками. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к добыче нефти и газа и может быть использовано при контроле параметра режима бурения и автоматическом его регулировании.

Известны способы бурения с помощью гидравлических забойных двигателей-турбобуров и винтовых (объемных) двигателей, у которых долото соединяется с валом гидротурбины. Гидротурбина приводится во вращение движением жидкости через систему роторов и статоров. Давление, необходимое для прокачки жидкости, создается с помощью бурового насоса.

Известен способ и устройство, при котором информация о режиме бурения передается по гидроканалу путем циклических гидроударов [1]. Гидроудары создаются механическим устройством, имеющим клапан, который периодически перекрывает сечение гидроканала. Гидроудары, создаваемые в забое, передаются в устье скважины в виде импульсов повышенного давления.

Однако данный способ и устройство обладает тем недостатком, что клапан быстро подвергается износу и разрушению под действием бурового раствора, несущего твердые частицы, что влияет на точность регистрации параметров информационной системы во время эксплуатации.

Известна также система контроля за параметрами бурения [2], где сигналы передаются в виде возбуждаемых дискретных гидравлических импульсов (взятый нами за прототип). С помощью датчиков измеряют забойные параметры: скорость вращения долота, осевое явление на долото, местоположение ствола скважины в пространстве, давление и температуру на забое скважины и т.п. Показания датчиков обрабатываются устройством, расположенным в забое скважины, и с помощью телеметрической системы передаются в устье скважины на пульт управления.

К недостаткам известного механического способа и устройства можно также отнести подверженность износу и разрушению клапана под воздействием бурового раствора, несущего твердые частицы, и изменение параметров информационной системы во время эксплуатации.

Технической задачей изобретения является повышение информативности и точности передачи информационного сигнала и сигналов управления по гидроканалу от забоя до устья скважины.

Поставленная техническая задача достигается тем, что на пути движения бурового раствора устанавливают гидравлическую турбину с электрическим генератором на полом валу, расположенную над забойным двигателем и долотом. В гидравлическом канале создают импульс повышения давления периодическими, выполняемыми в определенной последовательности включениями или отключениями обмотки якоря электрогенератора на короткое замыкание. При каждом включении на короткое замыкание на валу возникает ударный момент, тормозящий турбину и, следовательно, жидкость в гидроканале, и этим создают импульс гидроудара в виде волны от забоя к устью скважины.

Устройство для реализации способа состоит из забойного двигателя, долота, датчика давления, тахогенератора скорости вращения забойного двигателя, датчика осевого давления на долото, датчика температуры на забое скважины, пульта управления, исполнительного механизма и двух автономных систем, одна из которых расположена в забое, а другая - в устье скважины, причем каждая автономная система содержит гидротурбину с полым валом, электрогенератор, постоянные магниты которого жестко закреплены на полом валу, основную обмотку электрогенератора, которая через тиристорный короткозамыкатель и формирователь импульсов управления соединена с информационно-вычислительным блоком и блоком питания, при этом электрогенератор автономной системы на забое снабжен вспомогательной обмоткой, соединенной через блок питания с ее информационно-вычислительным блоком, а пульт управления и дисплей автономной системы в устье скважины - с ее информационно-вычислительным блоком.

На электрогенераторах обеих автономных систем установлены датчики давления, связанные со своими информационно-вычислительными блоками.

На фиг. 1 представлена схема устройства контроля параметров режимов бурения; на фиг. 2 - схема устройства автономной системы, расположенной на забое скважины; на фиг. 3 - схема устройств автономной системы на устье скважины.

Устройство для реализации способа передачи информации о параметрах режима бурения и управления гидравлическим забойным двигателем состоит из двух автономных систем 1 и 2, автономная система 1 расположена в забое и состоит из гидротурбины 3, соединенной с электрогенератором 4 с помощью полого вала 5, на котором установлены постоянные магниты 6, расположенные над забойным двигателем 7 и долотом 8. Обмотка якоря 9 электрогенератора 4 соединена с тиристорным короткозамыкателем 10. Электропитание автономной системы 1 осуществляется от вспомогательной обмотки 11 электрогенератора 4 через блок 12 питания и соединена с информационно-вычислительным блоком 13, который соединен с техогенератором 14 забойного двигателя 7, датчиком осевого давления 15, установленным на валу 18 забойного двигателя 7, датчиком 17 координат забойного двигателя 7, датчиками 18 температуры и расхода бурового раствора 19, датчиком 20 давления в гидроканале 21. Информационно-вычислительный блок 13 соединен через формователь 22 импульсов с тиристорным короткозамыкателем 10, а также соединен с объектом 23 регулирования. Автономная система 2 расположена в устье скважины и предназначена для передачи сигналов управления в забой и состоит из гидротурбины 24, соединенной с электрогенератором 25, которая расположена в ведущей трубе 26. Обмотка якоря 27 электрогенератора 25 имеет кабельный ввод со стороны пульта управления, в котором расположен информационно-вычислительный блок 28, дисплей 29 и блок 30 питания. Обмотка якоря 27 электрогенератора 25 через информационно-вычислительной блок 28 соединена с формователем 31 импульсов и тиристорным короткозамыкателем 32 с обмоткой якоря 27 электрогенератора 25. В ведущей трубе 26 расположен и датчик 33 давления, который соединен с информационно-вычислительным блоком 28 через пульт управления.

Работа устройства.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

От тахогенератора 14, измеряющего скорость вращения забойного двигателя, а следовательно, и долота сигнал поступает в информационно-вычислительный блок 13, где он преобразуется в импульсы, поступающие на электрод управления тиристорного короткого замыкателя 10. Закодированная информация о скорости вращения долота 8 определяет последовательность и частоту коротких замыканий, производимых в системе гидротурбины 3 электрогенератора 4. Гидротурбина 3 возбуждает серию гидравлических ударов в гидроканале 21. Возникающие при этом импульсы повышенного давления от забоя к устью скважины воспринимаются датчиком 33 давления, который является приемником модулированных гидроударов. От датчика 33 давления сигнал поступает в информационно-вычислительный блок 23 автономной системы 2, где телеметрическая информация расшифровывается, и на дисплее 29 пульта управления появляется информация о скорости вращения долота 8. Аналогичным образом работает телеметрическая система передачи информации других забойных параметров.

При необходимости передачи параметров от устья скважины к забою в случае управления датчиками, расположенными в забое, включается автономная система 2. Зашифрованная информация поступает через формователь 31 импульса на электроды тиристорного короткозамыкателя 32. Путем коротких периодических замыканий обмотки якоря 27 электрогенератора 25, которые проявляются в виде вызываемых гидротурбиной 24 импульсных изменений давления в гидроканале, сигнал передается в забой скважины. Там он улавливается в виде импульсов повышенного давления датчиком 20 давления. Информация от датчика 20 давления поступает на информационно-вычислительный блок 13 автономной системы 1 в забое скважины. Обработанный в информационно-вычислительном блоке 13 сигнал поступает к управляемому объекту 23 регулирования.

Предлагаемое техническое решение позволяет получить мощный устойчивый сигнал при относительно небольших размерах устройства, состоящего из турбины и генератора. Ударный момент, возникающий на валу генератора при внешнем коротком замыкании, может достигать значения в 10 раз большего, чем номинальный момент, поэтому мощность вспомогательной турбины составляет всего несколько процентов от мощности забойного двигателя.

Формула изобретения

1. Способ передачи информации о параметрах режима бурения и управления гидравлическим забойным двигателем путем создания гидроудара повышенного давления в гидравлическом канале буровой установки между забоем и устьем скважины, отличающийся тем, что импульс гидроудара повышенного давления в гидроканале создают периодическими включениями или отключениями обмотки якоря электрогенератора на короткое замыкание.

2. Устройство для передачи информации о параметрах режима бурения и управления гидравлическим забойным двигателем, содержащее забойный двигатель, долото, систему управления, датчики, связанные с системой управления, тахогенератор скорости вращения забойного двигателя и исполнительный механизм, отличающееся тем, что система управления выполнена в виде двух автономных систем, устанавливаемых на забое и устье скважины, причем каждая автономная система содержит гидротурбину с полым валом, электрогенератор, постоянные магниты которого жестко закреплены на полом валу, основную обмотку электрогенератора, которая через тиристорный короткозамыкатель и формирователь импульсов управления соединена с информационно-вычислительным блоком и блок питания, при этом электрогенератор автономной системы на забое снабжен вспомогательной обмоткой, соединенной через блок питания с ее информационно-вычислительным блоком, а пульт управления и дисплей автономной системы в устье скважины с ее информационно-вычислительным блоком.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что на электрогенераторах обеих автономных систем установлены датчики давления, связанные со своими информационно-вычислительными блоками.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3