Способ управления вибрациями скважинного инструмента и оборудования и устройство для его осуществления

Группа изобретений относятся к области бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к области автоматического регулирования процесса бурения. Технический результат заключается в повышении надежности получения, формирования и передачи сигнала о возникновении вибраций скважинного инструмента и оборудования. Способ управления вибрациями скважинного инструмента и оборудования включает получение и формирование регистрируемого сигнала о возникновении вибраций от скважинного инструмента и оборудования, осуществляется с помощью гидромеханического датчика вибрации, который соответственно амплитуде и частоте действующих на него вибраций распределяет поток промывочной жидкости из бурильной колонны в полость гидромеханического датчика, преобразует регистрируемый сигнал путем вызова соразмерного распределению потока изменения расхода промывочной жидкости через забойный двигатель и соответственно изменения числа его оборотов, регистрируемого счетчиком числа оборотов. Устройство для осуществления способа управления вибрациями скважинного инструмента и оборудования, содержащее установленные в скважине в составе бурильной колонны скважинный инструмент, забойный двигатель, забойные датчики, связанные с устьевым оборудованием буровой установки, имеющим в составе последовательно соединенные каналами связи регистрирующее устройство, аналого-цифровой преобразователь, управляющий модуль с контроллером обратной связи, с которым связаны система привода бурильной колонны для регулирования числа ее оборотов и буровой насос для регулирования его подачи промывочной жидкости в бурильную колонну. Устройство дополнительно содержит счетчик числа оборотов забойного двигателя, скважинный расходомер и гидромеханический датчик вибрации, включающий полый цилиндрический корпус с нижней конической частью, соединенный с корпусом цилиндрический стакан, полость между ними и дренажный зазор, сообщающиеся с полостью корпуса через полый цилиндрический ствол, установленный в корпусе с возможностью ограниченного осевого перемещения и совмещения отверстий (16, 29) и (17, 30), выполненных соответственно в корпусе и в стволе для осуществления перетока промывочной жидкости через полость. При этом в полости ствола сверху на резьбовом соединении установлена регулировочная втулка с торцевым выступом, удерживающая ствол в корпусе. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретения относятся к области бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к области автоматического регулирования процесса бурения и могут быть использованы для управления вибрациями скважинного инструмента и оборудования.

Известен способ адаптивного управления процессом бурения скважины, при котором осуществляют построение модели процесса бурения, представляющей взаимодействие условий в забое скважины с бурильной колонной, получение множества результатов скважинных измерений условий бурения в ходе работы в скважине, обновление модели процесса бурения на основе результатов скважинных измерений условий бурения и рабочих данных наземного оборудования, принятых от системы управления наземным оборудованием, осуществляют определение множества оптимальных параметров бурения на основе обновленной модели процесса бурения, передачу в систему управления наземным оборудованием данных об оптимальных параметрах бурения и многократное повторение операций получения, обновления, определения и передачи в ходе работы в скважине (патент РФ №2495240, дата приоритета 04.05.2012, дата публикации 10.10.2013, авторы: Цуприков А.А. и др., RU).

К недостаткам известного способа можно отнести неадекватность детерминированной модели процесса бурения ввиду многофакторности возникновения вибраций бурильной колонны при бурении сложных горно-геологических структур, а также применения большого количества электронных забойных датчиков, в своей совокупности снижающих надежность системы управления.

Известна система управления процессом бурения, содержащая забойный двигатель, насос для прокачки промывочной жидкости, забойную телеметрическую систему с датчиками, наземные датчики контроля технологических параметров, блок передачи информации и управляющий компьютер с программным обеспечением и базой данных управления, которая содержит сведения о проектной траектории скважины, а также базу данных САПР (патент РФ №2208153, дата приоритета 02.10.2001, дата публикации 10.07.2003, авторы: Григашкин Г.А. и др., RU).

Недостатком известной системы является невысокая надежность ввиду большого количества в системе электронных забойных датчиков, которые при динамической неустойчивости процесса бурения имеют высокую вероятность отказа.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа и для устройства, и для способа, является система и способ ослабления прерывистого перемещения бурильной колонны, при этом система включает бурильную колонну, систему привода, насосную систему, функционально связанные с системой управления, которая связана с датчиками, регистрирующими изменение параметров бурения при действии колебаний, а способ характеризуется тем, что включает операции получения регистрируемого сигнала от скважинных датчиков о возникновении вибраций и управления системой приводов с помощью системы управления, контролирующей и координирующей вращение бурильной колонны системой приводов и подачу бурового раствора в бурильную колонну насосом для гашения колебаний бурильной колонны (патент РФ №2667553, дата приоритета 11.11.2015, дата публикации 21.09.2018, авторы: БАДКОУБЕХ Амир и др., СА, прототип).

Недостатками прототипа способа и устройства являются: невысокая надежность забойных датчиков вследствие воздействия на них вибрационных и ударных нагрузок, а также температурных напряжений, их малая автономность ввиду зависимости от источника энергии, как следствие, малая достоверность передаваемых на устье скважины данных, что приводит к неверным последующим операциям по управлению процессом бурения для выхода из вибрационного режима. Также нарушается чувствительность датчиков при действии агрессивных внешних условий, что приводит к большой вероятности ошибки метода управления вибрациями.

Технической задачей предлагаемых изобретений является повышение надежности получения, формирования и передачи сигнала о возникновении вибраций скважинного инструмента и оборудования, расширение функциональных возможностей в различных системах управления вибрациями, повышение автономности системы.

Для решения технической задачи предложен способ управления вибрациями скважинного инструмента и оборудования, содержащий операции получения регистрируемого сигнала о возникновении вибраций от скважинного инструмента и оборудования скважинными датчиками, а также его формирования и передачи по каналу связи к устьевому оборудованию, приема регистрируемого сигнала регистрирующим устройством, передачи регистрируемого сигнала и его дальнейшим преобразованием на аналого-цифровом преобразователе, передачи регистрируемого сигнала и его дальнейшим анализом на управляющем модуле с контроллером обратной связи с генерацией управляющего сигнала, передачи управляющего сигнала к системе привода бурильной колонны для изменения числа ее оборотов, либо к буровому насосу для изменения его подачи промывочной жидкости в бурильную колонну, а также ухода от вибрационного режима изменением количества оборотов привода бурильной колонны и, соответственно, скважинного инструмента. Новым в способе является то, что получение и формирование регистрируемого сигнала о возникновении вибраций от скважинного инструмента и оборудования осуществляется с помощью гидромеханического датчика вибрации, который соответственно амплитуде и частоте действующих на него вибраций распределяет поток промывочной жидкости из бурильной колонны в полость гидромеханического датчика, преобразует регистрируемый сигнал путем вызова соразмерного распределению потока изменения расхода промывочной жидкости через забойный двигатель и, соответственно, изменения числа его оборотов, регистрируемого счетчиком числа оборотов.

Согласно изобретению, преобразованный гидромеханическим датчиком регистрируемый сигнал регистрируется скважинным расходомером.

Для решения технической задачи предложено устройство для осуществления способа управления вибрациями скважинного инструмента и оборудования, содержащее установленные в скважине в составе бурильной колонны скважинный инструмент, забойный двигатель, забойные датчики, связанные с устьевым оборудованием буровой установки, имеющим в составе последовательно соединенные каналами связи регистрирующее устройство, аналого-цифровой преобразователь, управляющий модуль с контроллером обратной связи, с которым связаны система привода бурильной колонны для регулирования числа ее оборотов и буровой насос для регулирования его подачи промывочной жидкости в бурильную колонну. Новым является то, что устройство содержит счетчик числа оборотов забойного двигателя, скважинный расходомер и гидромеханический датчик вибрации, включающий полый цилиндрический корпус с сужающейся снаружи к низу конической частью, имеющей в суженной части, по меньшей мере, верхнее и нижнее отверстия, оси которых отклонены от радиального расположения, причем ось верхнего отверстия отклонена вниз, а ось нижнего отверстия - вверх, в уширенной конической части корпус соединен резьбовым соединением с цилиндрическим стаканом, образующим с суженной частью корпуса полость и дренажный зазор между дном стакана и нижним торцом конической части корпуса, имеющими возможность сообщения с внутренней полостью корпуса в исходном и в рабочем положениях через полый цилиндрический ствол, установленный в полости корпуса с возможностью ограниченного осевого перемещения, при этом во внутренней полости корпуса сверху и снизу выполнены уширения, а в дне стакана выполнено соответствующее диаметру полого цилиндрического ствола отверстие, образующее донный выступ, охватывающий пропущенный через него полый цилиндрический ствол, снабженный в верхней части продольными радиально расположенными выступами, взаимодействующими с ответными пазами на внутренней поверхности корпуса, выполненными между уширениями внутренней полости, образующими верхний и нижний торцы, в полости цилиндрического ствола сверху на резьбовом соединении установлена регулировочная втулка, снабженная торцевым выступом, опирающимся на верхний торец уширения и удерживающим полый цилиндрический ствол в корпусе, а нижний торец уширения внутренней полости корпуса, являющийся ограничителем перемещения полого цилиндрического ствола, расположен от взаимодействующего с ним торца ствола на расстоянии, соответствующем перемещению ствола для обеспечения перетока промывочной жидкости через полость стакана, при этом в нижней части полого цилиндрического ствола, контактирующей с суженной конической частью корпуса, выполнены, по меньшей мере, верхнее и нижнее отверстия, соответствующие отверстиям в суженной конической части корпуса с возможностью совпадения их осей в рабочем положении при перемещении ствола, а также с возможностью перетока из полости стакана через дренажный зазор и нижнее отверстие ствола во внутреннюю полость в исходном положении.

Согласно изобретению, в торцевом выступе регулировочной резьбовой втулки гидромеханического датчика выполнены монтажные прямоугольные пазы.

Согласно изобретению, в донном выступе цилиндрического стакана гидромеханического датчика, а также в полом цилиндрическом стволе выполнены, как минимум, по одной канавке с помещенным в ней уплотняющим кольцом.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для осуществления способа управления вибрациями скважинного инструмента и оборудования; на фиг. 2 изображен гидромеханический датчик вибрации в исходном положении, продольный разрез; на фиг. 3 - то же, в рабочем положении; на фиг. 4 - гидромеханический датчик вибрации, вид сверху; на фиг. 5 - разрез А-А на фиг. 3.

Устройство для осуществления способа управления вибрациями скважинного инструмента содержит скважинный инструмент 1, приводимый в действие забойным двигателем 2, счетчик числа оборотов 3 забойного двигателя, расходомер 4 и гидромеханический датчик вибрации 5, установленные в компоновку бурильной колонны 6. Устройство также содержит буровую вышку 7 и устьевое оборудование, включающее устройство регистрации 8 сигнала, аналого-цифровой преобразователь 9, управляющий модуль 10 с контроллером обратной связи 11 и регулирующий комплекс оборудования, в состав которого входит буровой насос 12, соединенный с нагнетательной линией 13 промывочной жидкости, и система привода 14 бурильной колонны 6 (фиг. 1). Гидромеханический датчик вибрации 5 содержит полый цилиндрический корпус 15 с сужающейся снаружи к низу конической частью, имеющей в суженной части, по меньшей мере, верхнее 16 и нижнее 17 отверстия, оси которых отклонены от радиального расположения, причем ось верхнего отверстия отклонена вниз, а ось нижнего отверстия - вверх. В уширенной конической части корпус 15 соединен резьбовым соединением с цилиндрическим стаканом 18, образующим с суженной частью корпуса 15 полость 19 и дренажный зазор Δ между дном стакана и нижним торцом конической части корпуса, причем полость 19 и дренажный зазор Δ имеют возможность сообщения с внутренней полостью корпуса 15 в исходном (фиг. 2) и в рабочем (фиг. 3) положениях через полый цилиндрический ствол 20, установленный в полости корпуса с возможностью ограниченного осевого перемещения. При этом во внутренней полости корпуса 15 сверху и снизу выполнены уширения 21, а в дне стакана выполнено соответствующее диаметру полого цилиндрического ствола 20 отверстие, образующее донный выступ 22, охватывающий пропущенный через отверстие полый цилиндрический ствол. В верхней части полый цилиндрический ствол 20 снабжен продольными радиально расположенными выступами 23, взаимодействующими с ответными пазами 24 на внутренней поверхности корпуса, выполненными между уширениями внутренней полости, образующими верхний 25 и нижний 26 торцы. В полости цилиндрического ствола сверху на резьбовом соединении установлена регулировочная втулка 27, снабженная торцевым выступом 28, опирающимся на верхний торец 25 уширения и удерживающим полый цилиндрический ствол 20 в корпусе 15. Нижний торец 26 уширения внутренней полости корпуса, являющийся ограничителем перемещения полого цилиндрического ствола 20, расположен от взаимодействующих с ним концов пазов между выступами 23 ствола 20 на расстоянии, соответствующем перемещению ствола 20 для обеспечения перетока промывочной жидкости через полость 19 стакана 18. При этом в нижней части полого цилиндрического ствола 20, контактирующей с суженной конической частью корпуса, выполнены, по меньшей мере, верхнее 29 и нижнее 30 отверстия, соответствующие отверстиям 16, 17 в суженной конической части корпуса с возможностью совпадения их осей в рабочем положении при перемещении ствола 20, а также с возможностью перетока промывочной жидкости из полости 19 стакана 18 через дренажный зазор Δ и нижнее отверстие 30 ствола во внутреннюю полость в исходном положении. Кроме того, в торцевом выступе 28 регулировочной втулки 27 выполнены монтажные прямоугольные пазы 31 для осуществления настройки регулировочной втулки 27, а в донном выступе 22 цилиндрического стакана 18 и в полом цилиндрическом стволе 20 выполнены канавки, в которых помещены уплотняющие кольца 32, 33.

Реализация способа управления вибрациями скважинного инструмента и оборудования с помощью предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

Взаимодействие скважинного инструмента 1 с горной породой сопровождается возникновением осевых и/или крутильных вибраций, при возникновении которых происходит отрыв скважинного инструмента 1, в частности долота, от породы, воспринимаемый расположенным в скважине оборудованием и гидромеханическим датчиком вибрации 5. При получении и формировании регистрируемого сигнала о возникновении вибраций, соответственно амплитуде и частоте действующих вибраций происходит распределение потока промывочной жидкости из бурильной колонны 6 в полость 19 гидромеханического датчика вибрации 5. Так при возникновении вибраций скважинного инструмента и оборудования происходит перемещение полого цилиндрического ствола 20 гидромеханического датчика вибрации 5 из исходного положения (фиг. 2) в рабочее положение (фиг. 3), вследствие чего происходит совмещение отверстий 16, 29 и 17, 30 корпуса 15 и ствола 20 с образованием каналов для перетока промывочной жидкости через полость 19. Вследствие этого изменяется расход через основной ствол бурильной колонны 6 ниже гидромеханического датчика 5, что изменяет расход через забойный двигатель 2, и, соответственно, число его оборотов. Изменение расхода регистрируется расходомером 4, а счетчиком числа оборотов 3 регистрируется число оборотов забойного двигателя 2. Информация передается по каналу связи на устье, принимается регистрирующим устройством 8, передается на аналого-цифровой преобразователь 9, который передает преобразованную информацию о вибрациях на управляющий модуль 10 с контроллером обратной связи 11. Информация анализируется, и выдается управляющий сигнал. В свою очередь, управляющий сигнал передается либо к системе привода 14 бурильной колонны, либо к буровому насосу 12 для регулирования его подачи промывочной жидкости в бурильную колонну 6 через линию нагнетания 13. Регулирование подачи промывочной жидкости в бурильную колонну 6 в необходимом диапазоне значений приводит к изменению зависящего от подачи числа оборотов забойного двигателя 2 и, соответственно, скважинного инструмента 1, что позволяет свести вибрации скважинного инструмента 1 и оборудования к минимуму. Такой же результат достигается при регулировании числа оборотов системы привода 14 бурильной колонны 6, приводящем к изменению ее числа оборотов, что также позволяет уйти от вибрационного режима. Операции получения, формирования, передачи, преобразования и анализа сигнала повторяются непрерывно в течение всего процесса бурения.

Технический результат, достигаемый изобретениями, заключается в повышении надежности получения, формирования и передачи сигнала о возникновении вибраций скважинного инструмента и оборудования за счет применения гидромеханического датчика вибрации в составе устройства для осуществления способа управления вибрациями скважинного инструмента и оборудования.

1. Способ управления вибрациями скважинного инструмента и оборудования, содержащий операции получения регистрируемого сигнала о возникновении вибраций от скважинного инструмента и оборудования скважинными датчиками, а также его формирования и передачи по каналу связи к устьевому оборудованию, приема регистрируемого сигнала регистрирующим устройством, передачи регистрируемого сигнала с его дальнейшим преобразованием на аналого-цифровом преобразователе, передачи регистрируемого сигнала с его дальнейшим анализом на управляющем модуле с контроллером обратной связи с генерацией управляющего сигнала, передачи управляющего сигнала к системе привода бурильной колонны для изменения числа ее оборотов либо к буровому насосу для изменения его подачи промывочной жидкости в бурильную колонну, а также ухода от вибрационного режима изменением количества оборотов привода бурильной колонны и соответственно скважинного инструмента, отличающийся тем, что получение и формирование регистрируемого сигнала о возникновении вибраций от скважинного инструмента и оборудования осуществляется с помощью гидромеханического датчика вибрации, который соответственно амплитуде и частоте действующих на него вибраций распределяет поток промывочной жидкости из бурильной колонны в полость гидромеханического датчика, преобразует регистрируемый сигнал путем вызова соразмерного распределению потока изменения расхода промывочной жидкости через забойный двигатель и соответственно изменения числа его оборотов, регистрируемого счетчиком числа оборотов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что преобразованный гидромеханическим датчиком регистрируемый сигнал регистрируется скважинным расходомером.

3. Устройство для осуществления способа управления вибрациями скважинного инструмента и оборудования по п. 1, содержащее установленные в скважине в составе бурильной колонны скважинный инструмент, забойный двигатель, забойные датчики, связанные с устьевым оборудованием буровой установки, имеющим в составе последовательно соединенные каналами связи регистрирующее устройство, аналого-цифровой преобразователь, управляющий модуль с контроллером обратной связи, с которым связаны система привода бурильной колонны для регулирования числа ее оборотов и буровой насос для регулирования его подачи промывочной жидкости в бурильную колонну, отличающееся тем, что оно содержит счетчик числа оборотов забойного двигателя, скважинный расходомер и гидромеханический датчик вибрации, включающий полый цилиндрический корпус с сужающейся снаружи книзу конической частью, имеющей в суженной части, по меньшей мере, верхнее и нижнее отверстия, оси которых отклонены от радиального расположения, причем ось верхнего отверстия отклонена вниз, а ось нижнего отверстия - вверх, в уширенной конической части корпус соединен резьбовым соединением с цилиндрическим стаканом, образующим с суженной частью корпуса полость и дренажный зазор между дном стакана и нижним торцом конической части корпуса, имеющими возможность сообщения с внутренней полостью корпуса в исходном и в рабочем положениях через полый цилиндрический ствол, установленный в полости корпуса с возможностью ограниченного осевого перемещения, при этом во внутренней полости корпуса сверху и снизу выполнены уширения, а в дне стакана выполнено соответствующее диаметру полого цилиндрического ствола отверстие, образующее донный выступ, охватывающий пропущенный через него полый цилиндрический ствол, снабженный в верхней части продольными радиально расположенными выступами, взаимодействующими с ответными пазами на внутренней поверхности корпуса, выполненными между уширениями внутренней полости, образующими верхний и нижний торцы, в полости цилиндрического ствола сверху на резьбовом соединении установлена регулировочная втулка, снабженная торцевым выступом, опирающимся на верхний торец уширения и удерживающим полый цилиндрический ствол в корпусе, а нижний торец уширения внутренней полости корпуса, являющийся ограничителем перемещения полого цилиндрического ствола, расположен от взаимодействующего с ним торца ствола на расстоянии, соответствующем перемещению ствола для обеспечения перетока промывочной жидкости через полость стакана, при этом в нижней части полого цилиндрического ствола, контактирующей с суженной конической частью корпуса, выполнены, по меньшей мере, верхнее и нижнее отверстия, соответствующие отверстиям в суженной конической части корпуса с возможностью совпадения их осей в рабочем положении при перемещении ствола, а также с возможностью перетока из полости стакана через дренажный зазор и нижнее отверстие ствола во внутреннюю полость в исходном положении.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что в торцевом выступе регулировочной резьбовой втулки гидромеханического датчика выполнены монтажные пазы прямоугольного сечения.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что в донном выступе цилиндрического стакана гидромеханического датчика, а также в полом цилиндрическом стволе выполнены как минимум по одной канавке с помещенным в ней уплотняющим кольцом.