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

СОЮЗ СОВЕТСНИХаэарпнкнииРЕСПУБЛИК ае агг 369 Е 21 В 47 022 а- енГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(21) 3501634/22-03(71) Центральная научно-исследоительская лаборатория Производствного объединения "Укрнефть"(56). 1. Авторское свидетельство СССРВ 933969, кл. Е 21 В 47/022, 1980,(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯПОЛОЖЕНИЯ ОТКЛОНИТЕЛЯ, АЗИМУТА ИЗЕНИТНОГО УГЛА СКВАЖИНЫ ПРИ ТУРБИННОИ БУРЕНИИ, содержащее корпус,. датчик азимута и зенитного угла, за датчик азимута отклонителя с релейным выходом, автономный источникпитания, 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 смещенная центром.тяжести и с контактной группой одроса и .,контроля азимута и отклонителя, . включающей четыре полуконтакта, а датчик зенитного угла выполнен в ви.де консолъно укрепленной в .подаипниковой опоре траверсы с размещенными на ее боковой стенке. 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 коническое колесо кинематически связано с часовым .механизмом, а контакты наклона скважины и контроля вертикального направления электри.чески 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.1127972 фч Составитель И. КарбачинскаяРрковецкая Ъехред С.Дегеза - Корректор Н. Король Редак 23Тираа 564 ВНИИПИ Государственного комитета С по делам изобретений и открытий ква, 3-35, Уаувскаянаб., д. 4/НодписноССР а 113035Иос Фил ЪЯФюФ фф атент", г, Ужгород, ул. Проектная972 1127Изобретение относится к бурению направленных нефтяных и газовых скважин турбинным способом.Известно устройство для ориентации отклонителя при турбинном бурении, содержащее задатчнк 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 пневмоцвлиндра со штоком, причем полость пневмоцилиндра электрически связана через распределитель и ем 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 - повышензю точ 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 при 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 4 О 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 никовой опоре траверсы с размещенным . на 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 контактами 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 опросадатчика азимута, а два ее полуконтакта установлены на валу часового механизма, контакты опроса датчиковазимута и зенитного угла соединеныс релейным выходом задатчика азимута отклонителя.На фиг. 1 и 2 представлена конструкция устройства; на фиг. 3 -.принципиальная электропневмокинематнческая схема; на фиг. 4 - иллюстрация временных разверток гидроимпульсов, несущих информацию о положении отклонителя, азимута и зенитного угла скважины,Устройство (фиг. 1) представляетсобой элемент бурильной колонны,состоящий из корпуса 1 и установленных в нем задатчика 2 азимута отклонителя блока 3; датчиков азимутаи зенитного угла скважины, автономного источника 4 питания, гидровключателя 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 4 с емкостью 15 сжатого воздуха и приемной емкостью 16, которая предварительно заполнена воздухом с атмосферным давлением, Соотношение объемов емкости 15 со сжатым воздухом и приемной емкости 16 по отношению к объему рабочих камер8 и 9 пневмоцилиндра 7 подбираютсяс учетом необходимого количествасрабатываний привода датчика гидроимпульсов в процессе установки отклонителя в заданном азимуте, а так же срабатываний привода при опросеблока 3 датчиков азимута и зенитного угла скважины. При этом отработанная часть воздуха, переходя вприемную емкость 16, не должна вызывать значительное понижение давления в емкости 15 сжатого воздуха. Датчик 6 гидроимпульсов представляетсобой концентрически расположенныйпо 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. Датчик3 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 23Фоточувствительный эле- . мент 21 электрически связан с усилителем 24 постоянного тока, на выходе которого установлено электромагнитное реле 25. В зависимости отположения 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 27или катушку 28. Блок 3 датчиков азимута и зенитного угла скважины (фиг. 1 и 2)представляет собой кинематическисвязанную систему с контактным выходом и содержится в цельном корпусе 29. Основным элементом в блоке3 датчиков является часовой механизм30 а вьцсодным валом 31, который вконце его винтовой ннрезки установлен в подшипниковой опоре 32,Датчик азимута скважины. представ.ляет собой ротор 33 в виде тела вра.щения со смещенным от оси вращенияв радиальном направлении центром тяжести. Ротор 33 увтановлен в подшипниковых опорах 34 и 35. В верх-,нем торце ротора 33 установленанижняя половина контакта 36 контроля азимута скважины. Верхняя половина этого контакта жестко укреплена на валу 31. В одной плоскости сням на валу 31 укреплена и нижняяполовина контакта 37 контроля отклонителя. Верхняя половина контакта37 устанавливается в радиальнойплоскости корпуса 29 в заданном направлении действия отклонителя,Датчик зенитного угла скважиныразмещен в нижнем отсеке корпуса 29и выполнен в виде траверсы 38, которая консольно укрепленав поддипниковой опоре 39 с возможностью про 4ворачивания. 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 воэможностью 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 127972 О 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 51конструктивно выполнены таким образом, что с учетом кинематическихсвязей и воздействующих на них элементов (вала 31, колеса 41 и гайки53) они имеют различную по временивыдержку включенного состояния.Этого можно достичь, например, приразличной длине их контактной дорожкиЕстественно, это не воздействуетна работу часового механизма 30,т.е. обороты вала 31 всегда сохраняются постоянными,Э 5 40 45 Контакт 50 опроса азимута скважины должен иметь по времени такую . выдержку включенного состояния за 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,20также может замыкаться пластиной 44.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 отклони- тель и верхняя половина контакта 37 контроля отклонителя в блоке датчиков Включается часовой механизм 30, при этом гайка 52 устанавливается 1на 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 наврав" ления 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 замыкается нормально открытый контакт Р, в цепи катушки 27, Это в свою очередь приводит к срабатыванию распре ны в нужный момент бурения при сов 40 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 дат 45 чика азимута скважины. Первоначально выставленные в одной плоскостиверхняя половина контакта 37 и нижняя половина контакта 36 совпадают и их включение полуконтактами, жестко 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 15сжатого воздуха. Шток 19 с клапаном18 перемещается на перекрытие сед ла 17 датчика 6 гидроимпульсов. Одновременно воздух с полости.9 стравливается в приемную емкость 16, Приперекрытии проходного канала датчика 6 гидроимпульсов происходит 10 увеличение давления в нагнетающейлинии. бурового насоса, по которомусудят о смещении положения отклонителя от заданного. На фиг. 4 а случайотхода отклоннтеля от заданного на правления изображен графически избыточным давлением Р во времени Т).Восстановление заданного положенияотклонителя осуществляется путемпроворота бурильной колонны ротором 20 буровой установки. При этом магнитная стрелка 23 перекрывает световой поток.от источника 22 света нафоточувствительный элемент 21, чтоприводит к запиранню усилителя 24.25 Реле 25 выключается и катушка 27обесточнвается. Нормально закрытыйконтакт, Р обеспечивает подачу питанйя на электромагнитную катушку28, что приводит к переключению расЗ 0 .пределителя 14 и, как следствие;смещению клапана 18 на открытие седла .17, т.е. центрального проходногоотверстия датчика 6 гидроимпульсов.Такое состояние сохраняется до техпор, пока положение отклонителя сов"падает с заданным фиг. 4 а, номиналь -нее давление Рн в нагнетающей линиибуровых насосов во времени Т),7 1127 .половиной контакта 36 контроля азимута скважины на угоп между плоскостями. Нижняя половина контакта .36, находясь в диаметрально противоположной стороне центра тяжестиротора 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 егонаправлением. 15Плюс от источника 4 питания(фиг. 3) через замкнутый контакт . гидровключателя 5 и, соответственно,замкнутый контакт .50 а также поо)чередно включающиеся контакты 37 и 2 О36 подается на реле 25, которое состороны минуса залитано постоянно. . В зависимости от длительности включенного положения контактов 37 и 36реле 25, срабатывая, своими контактами Р и Ри производит переключение катушек 27 и 28 .распределителя14, что как следствие вызывает перемещение клапана 18 к седлу 17 идержит его в закрытом положении сдлительностью включенного состоянияконтактов 37 и 36. Закрытое положение клапана 18 вызывает импульсыдавления в нагнетающей линии буровых насосов с изменением номинального Рн значения давления до избы 35точного Р. На фиг. 40 изображенграфик зависимости изменения давления во времени, где Т 1 - длитель,ность гидроимпульса, йолучаемого от40контакта 37 контроля отклонителя,Т - длительность гидроимпульса отконтакта 36 контроля азимута скважины. Время Т между этими импульса.ми определяет временную развертку45измеряемого узла между апсидальнойплоскостью скважины и плоскостьюдействия отклонителя, а время Тсоответствует полному. круговому циклу опроса.ЯТаким образом имея.значение времени Т , а также времени Т 4, соот-ветствующего круговому циклу, определяют угол между апсидальной плоскостью скважины и плоскостью действия 55.отклонителя.Замер зенитного угла скважиныпроизводится следующим образом. 972В определенное время в блоке 3датчиков 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 воэдейстсии 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 скважины 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 оп росе азимута скважины. В зависимости от длительности включенного положения контактов 45 и 49 реле 25, срабатывая, своими контактами РЬо и Р 1 производит переключение ка.- тушек 27 и 28 распределителя 14. Это, в свою очередь, вызывает перемещение клапана. 18 к седлу 17 н держит егов закрытом положении с длительностью включенного состояния контактов 45 и 49. На Фиг. 4 6 изображен график зависимости изменения давления во времени, где Т - длительность гидроимпульса, получаемого от контакта 45 наклона скважины; Т 6длительность 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 4 занимает среднее положение времеви .Т 8. Таким образом, учитывая предварительноерасположение контактов 45 и 49, а также имея значения времени Т 1между импульсами и Т 8, соответствующее круговому циклу, определяют зенитный угол скважины. Рсширение Функциональных возможюстей устройства за счет наличияблока датчиков азимута и зенитного угла скважины способствует сокращению потерь времени на дополнительные геофизические работы, связанные с контрольными замерами азимут 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 углом6порядка 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 такомслучае, по отношению к заданномуположению отклонителя возможновнести коррекцию угла влево иливправо до 15 при необходимостиповоротом бурильной колонны. Наконкретный необходимый угол коррекции может указать датчик азимута 1 О скважины. Таким образом,используядатчик азимута скважины, возможно напервоначальном этапе бурения осуществить контроль заданного положения отклонителя по отношению к азн муту скважины, а также на определенном промежутке времени бурения внести коррекцию угла отклонителя донеобходимого значения в соответствии с проектным профилем ствола 20 скважиныЪНаличие датчика зенитного угла иего замеров позволяет уточнить соответствие компановки бурильной колонны с целью достижения необходи мой интенсивности искривления определенного интервала ствола скважины.Применение предлагаемого устройства позволит за счет сокращенияспускопбдьемньи операций геофизи- ЗО ческой аппаратуры для ориентирования отклоняющей компановки и контрольных замеров пространственногоположения ствола скважины сократитьвремя проводки скважины и тем самымснизить ее стоимость.Использование предлагаемого устройства может найти широкое применение при бурении кустовым методом,распространенным нри проводке скважин на месторождениях Севера и Дальнего Востока СССР.