Скважинное устройство для передачи данных в процессе бурения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК В 47/12 ИТЕТ СССРЙ И ОТНРЬГГИЙ ОСУДАРСТВЕННЫЙ О ДЕЛАМ ИЗОБРЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ИДЕТЕЛЬСТВУ ТОРСКОМУ(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт ядерной геофизики и геохимии(56) 1. Патент США И 4003017, кл, 340-155, опублик. 1977.2. Гадиев С.И, Использование виб рации в добыче нефти. М., "Недра", 1977, с. 49-50 (прототип).(54)(57) 1, СКВАЖИННОЕ УСТРОЙСТВОДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ, содержащее корпус с жестко закрепленным и выполненным в виде ци"линдра со щелевыми прорезями вдольобразующей и с каналом для буровогораствора в нижней его части стволоми расположенный на последнем цилинд"рический золотник со щелевыми прорезями вдолЬ образующей, о т л и ч а ющ е е с я тем,.что, с целью повышения чувствительности, оно снабжено стабилизатором оборотов цилиндрического золотника, а корпус и цилиндрический золотник имеют равномерно рас-положенные по окружности на одном уровне выступы, выполненные иэ ферромагнитного материала, с размещенными по обе стороны от каждого выступа электрическими обмотками, которые включены последовательно и подключены к стабилизатору оборотов циклического золотника.2. Устройство по и, 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что стабилизатор оборотов цилиндрического золотника выполнен из выпрямителя, ключевого элемента, стабилизатора частоты, ста- о билизатора напряжения и генератора временных меток,. выходы выпрямителя соединены с входами ключевого элемента, стабилизатора частоты и стабилизатора напряжения, а выход последнего посредством фильтра соединен с входом генератора временных меток, выход которого подключен к управляющим входам стабилизатора напряжения и ключевогоэлемента.Изобретение относится к геофизицеской аппаратуре, применяемой прибурении промысловых и разведоцныхскважин,Известно устройство для полученияданных в процессе бурения скважин,содержащее источник упругих колебаний,геофоны, усилитель и регистратор. Данные из забоя во время бурения получают с помощью упругих Волн при рдспространении по массиву горных пород 1 1.Недостаток указанного устройствамалая эффективность из-за невозможности передачи данных о литологии итехнологических параметрах бурения спомощью забойной аппаратуры, большоезатухание и искажение сигналов прираспространении их в массиве и невозможность передаци данных при буренииглубоких скважин.Наиболее близким к предлагаемомуявляется скважинное устройство дляпередачи данных в процессе бурения,содержащее корпус с жестко закрепленным стволом, выполненным в виде стакана со щелевыми прорезями по образующей цилиндра и отверстием в донной части, ча котором свободно размещен на подшипниках циклический золотник с щелевыии прорезями прямоугольной формы вдоль образующей, наклонкоторых выполнен в обратном направлении по отношению к прорезям ствола,причем концы корпуса соединены с пере.водниками 2 ,Недостатком известного устройстваявляется малая достоверность передачисигналов из-за отсутствия управленияпо частоте и амплитуде передаваемогосигнала,Цель изобретения " повышение достоверности передаци информации.Поставленная цель достигается тем,цто скважиннае устройства для передацл данных, содержащее корпус с жесткозакрепленным и выполненным в виде цилиндра со щелевыми прорезями вдольобразующей и с каналом для буровогораствора в нижней его части стволоми расположеннь;й на последнем цилиндрический золотник со щелевь ми прорезями вдоль образующей, снабжено стабилизатором оборотов цилиндрическогозолотника, а корпус и цилиндрическийзолотнлк имеют равномерно расположенные по окружности на одном уровне выступы, выполненные из ферромагнитногоматериала, с размещенными по обе стороны от каждого выступа электрическими обмотками, которые включены последовательно и подключены к стабилизатору оборотов циклического золот 5 ника,Кроме того, стабилизатор оборотовцилиндрического золотника выполнен извыпрямителя, ключевого элемента стабилизатора частоты, стабилизатора напряжения и генератора временных меток,выходы выпрямителя соединены с входами ключевого элемента, стабилизаторачастоты и стабилизатора напряжения, авыход последнего посредством фильтра15 соединен с входом генератора временных меток, выход которого подключенк управляоцим входам стабилизатора на,пряжения и ключевого элемента.На фиг. 1 приведена схема скважин-2 О ного устройства в процессе бурения;на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1;на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1;на фиг. 4 - временные диаграммы колебаний, возникающих в устройстве; на25 фиг. 5 - блок-схема стабилизатора, оборотов циклического золотника; нафиг. б - принципиальная схема стабилизатора оборотов циклического золотника,Скважинное устройство для передаци данных в процессе бурения содержитпереводник 1, который опирается наствол 2, представляющий собой детальв виде стакана. Герметичность соеди 35нения обеспечивается с помощью резинового уплотнения 3,размещенногов канавке ствола 2, В верхней частиствола расположен шариковый подшипник 4, который может быть заменентакже подшипником качения, одно изколец которого соединено с циклическим золотником 5, выполненным изстали, Выступы б и 7 прямоугольнойформы, размещенные друг против другас зазором 0,5- 1,0 мм и имеющие одинаковые размеры по площади, являются.,:магнитными полюсами. Выступ 7 можетбыть изготовлен заодно со стволом 2;а также автономно, Этот выступ (полюс) в случае генераторной схемы вы"5 Ополняется из магнитожесткого материала; например ЮНДК, феррита барияи других магнитных сплавов. Площадьзвукопрозрачного окна 8 равна площади щели 9 в циклическом золотнике 5, Число окон 8 равно числу щелей 9. В стволе 2 также выполнены щели 10, Наклон щелей 9 и 10 (фиг. 3)противоположен и равен, +45-бОф.1025 3Нижняя часть золотника 5 оперта нанижней шарикоподшипник 11, опирающий- . ся в свою очередь на подпятник 12 через эластичную шайбу. В донной частиствола 2 для перепуска излишней жидкости с входного переводника 1 выполнен канал 13 для бурового раствора. Корпус 14 заканчивается выходным переводником 15, выполненным вданном случае заодно с корпусом. Резь бы переводников 1 и 15 .соединяютсяс трубами колонн не показано). Нафиг. 2 показано размещение обмоток 16на выступах 6, которые в свою очередьустанавливаются на внутренней части 5корпуса 14. Эти обмотки соединены между собой последовательно по напряжению, и начало первой обмотки и конецпоследней. подключены к выводам 17и 18, Канал 13 предназначен для транс 20портирования бурового раствора иливоды к щелям 10. Канавка 19 обеспечивает хорошие пусковые свойства золотника под действием давления жид"кости. На фиг. 4 приведены временные 25диаграммы; колебаний,. возникающих приработе предлагаемого устройства. Сигиалы С и С - временные метки; сигналы С и С несут информацию об одном из замеряемых забойных параметров в виде кода. А, Б и 8 - уровнисигналов; Е и Е - соответственноуровень выходного сигнала и входного;Т - время:в минутах или секундах. По"ложение входных и выходных сигналовсоответствует на оси времени Т,Стабилизатор оборотов циклическогозолотника осуществляет стабилизациюнесущей частоты, установки нужнойчастоты и модуляции несущей входнымисигналами. С,1-С. Выступы 6 и 7 с об-, 40моткой 16 и магнит 20 представляютсобой электрогенератор 21, выходы обмотки 16 .соединены с входом полупро".водникового выпрямителя 22 выполнен 45ного, например, по мостовой схемефиг. 5), выходы которого соединеныс электронным ключом 23, стабилизатором 24,частоты, .стабилизатором 25напряжения, выход которого черезфильтр 26 соединен с генератором 27временных меток, выход которого соединен с управляющими входами стабилизатора 25 напряжений и электрон ного ключа 23, на вход 29 которогопоступает информация.55Выход обмотки 16 нагружен на выпрямитель 22 (фиг, 6), параллельнокоторому включены транзистор 30, ста 879 4бипитрон 31 и резистор 32, образующие в совокупности стабилизатор частоты, транзистор 33, к базе которогоподключен сумматор на резисторе 34и диодах 35 и 36. Транзистор 33 является электронным ключом, Аноды дио"дов соединены с выходом генератора 28временных меток и выходом (не показан) управляющего информационногоприбора,. данные которых необходимопередать из скважины на земную поверхность. Общая шина 37-38, транзистор 39, резистор 40, стабилитрон 41,конденсатор 42 и фильтр 43 образуютстабилизатор напряжения скважиннойаппаратуры, Скважинная аппаратура выполняется .в виде блоков кольцевойформы, размещенных в подходящем месте на НКТ или колонне. Устройство(фиг. 1) размещается в разрыве колон"ны около турбодвигателя,Скважинное устройство для передачи данных в процессе бурения работаетследующим образом.При вращении циклического золотника от напОра .буровой жидкости в колонне труб возникают мощные продольныеволны, образуемые в результате перио-.дического перекрытия щелей 9 и 10 в:золотнике и стволе, В жидкости возникают гидравлические удары с частотойгде О. - расход жидкости через щели 9и 10;Р - функция, описывающая зависимость между радиусом наружной поверхности ствола 2, радиусом наружной поверхностизолотника 5, углом наклона щели 10 и ее площадью, угломнаклона щели 9 и ее площадью,т,е.+(2)где г 4Ъ - радиусы соответственноствола и золотника;5 , Я 2 - площади соответственнощелей 10 и 9о 4 - углы наклона соответственно щелей 10 и 9.Иеханизм вращения золотника представляется в следующем виде.Буровая жидкость, проходя черезвходное отверстие переводника 1, а,также щели в стволе 2, попадает в щели золотника 5. Так как эти отверстия выполнены под углом, золотникначинает вращение под действием реакции струи; вращаясь, он периодическиперекрывает отверстия (щели 10) встволе, в результате чего возникаетгидравлический удар. Имеет место автоколебательный процесс - движениезолотника 5 управляет расходом жидкости, а расход в свою очередь - дви"жением золотника, Частота гидравличес.ких ударов зависит от числа щелей 9,10 и оборотов золотника, что в своюочередь влияет на расход жидкости О.Гидроудар сопровождается резким подъемом давления в жидкости, который распространяется в сторону входного 1и выходного 15 переводников, а такжев сторону окон 8, производя тем самымакустическое воздействие на горнуюпороду и вызывая в ней разрывыЕслипроходится нефтяной пласт, которыйпри бурении забивается частицами бурового раствора, то разрыв способствуют притоку нефти, выносу частицбурового раствора и обнаружению пласта. Окна 8, не нарушая прочность корпуса 111, способствуют хорошему прохождению звуковой энергии от золотника 5. Толщина стенки окна 8 выбирается меньше 1/110 длины продольнойволны в материале корпуса 1 Ь, а вэтом случае стенка работает как диафрагма. Кроме продольных волн в жидкости, по колонне распространяютсякрутильные колебания, так как в первой части цикла золотник пропускаетжидкость и разгоняется под действиемреакции струи, а во второй части цикла щели 9 и 10 оказываются перекрытыми, и золотник 5 движется по инерциис замедлением иэ-за наличия тренияв опорах ч о,жидкость или за счетвведения дополнительного тормозящегомомента, вносимого электромагнитом,образованным элементами 21, при подаче на него импульса с выхода управляющего скважинного информационногоприбора (не показан). Это могут бытьсигналы временных меток С 4 и С 4(фиг. 11) и сигналы С и С закодированной информации, подлежащей передаче иэ забоя на поверхность по колонне, буровому раствору или массивугорных пород. Если при холостом ходезолотника акустическое давление изменяется от уровня Б до уровня 8(фиг. 11), то при подаче управляющихимпульсов оно поднимается до уровня А,Частота несущая С 11 изменяется взависимости от давления бурового раст вора, что является недостатком, поскольку прием передаваемых импульсов приходится производить в широкой полосе в условиях повышенных помех, Этот режим использования предлагаемого устройства наиболее прост, Иощность управления золотником при этом может быть значительной, что в некоторых случаях может оказаться невыгодным. Имеет место модуляция акустических сигналов, генерируемых золотником, по амплйтуде и по частоте.Уравнение двимния золотника имеет вид 5 10 15 И= И + И +. .(3)гР Эс 1где И - момент, действующий на золотник со стороны жидкости;И - момент трения;И - момент управления со стороны информационного скважинного прибора, развиваемыйэлектромагнитом 21;Э - момент инерции золотника;- угловая скорость золотника;с - время.При выполнении выступов 7, установленных на золотнике 5, в виде постоян-ных магнитов, поляризованных по ра- ЗО диусу золотника, элементы предлагаемого устройства представляют собойгенератор переменного тока, При замыкании выходов 17 и 18 Обмотки 6 по"следней потечет большой ток и возникЗ 5 нет большой тормозящий момент, который вызовет частичное или полное за"медление вращения золотника, а следо"вательно, и характера сигналов, изаб"раженных на фиг. ч (верхняя времен ная диаграмма). Для передачи информации иэ забоя на земную поверхностьдостаточно замыкать на какое"то времяили размыкать выходы обмоток 17 и 18.Но в этом случае несущая частота так же не будет стабильной и потребуетсяприем и обработка принятых сигналовв широкой полосе частот. Мощностьуправления, потребляемая от информационного скважинного прибора, сильно 50 уменьшается по сравнение с предыду"щим случаем, Причем эффективностьработы гораздо выше по сравнению с.прототипом благодаря е:пользованиеэлементов, 6, 7 и 16 в качестве элект ромагнитов. Так как генератор переменного тока (фиг, 5) притормаживаетдвижение золотника при увеличенииэлектрической нагрузки, то устройство снабжено стабилизатором частоты7 10258 ( элементы 25 и 26, Фиг, 5 и элементы 31, 32 и 30, .Фиг. 6), функционирующим при превышении золотником 5 некоторой скорости вращения, после ко" торой возникает дополнительный тОр 5 мозящий момент со стороны элементов6, 7 и 16. При вращении золотника на , выходе обмоток 17 и 18 возникает элект, рическое напряжение, которое затем выпрямляется выпрямителем 22 и далееподается на вход стабилитрона 31, образующего совместно с резистором 32 (Фиг. 6) стабилизатор постоянного тока. С выхода этого стабилизатора , на базу транзистора 30 подается напряжение с элементов 31 и 32, который усиливает это напряжение и вызывает дополнительный ток в обмотке 16. Возникает тормозящий момент, снижающий обороты, а значит и напряжение на выходе 17 и 18 обмоток. Чтобы передать данные от скважинного информационного прибора в импульсном коде, достаточно замкнуть выход 17, 18. Для этого анод дио,ца 36 сумматора (фиг, 6) замыкают с помощью. реле, установленного в ин-. формационном скважинном приборе в соответствии с кодом и на необходимое время (фиг. 4). Для привязки передаваемых данных во времени через строго определенное время, например через 1 мин или 1 с от генератора времен" ных меток на другой .диод сумматора (35) подается положительный импульс С и С,1, который открывает управляемое сопротивление 33 (в данном случае транзистор) на заданное время, В обмотке 16 возникает большой ток, приводящий в свою очередь к возникновению большого тормозящего момента золотника. Золотник останавливается, в жидкости возникает большое давление, а также изменение несущей часто" ты гидроударов, которые обнаруживаются с помощью детектора амплитуд или , с помощью частотного детектора на на земной аппаратуре, Таким образом, вариант устройства, содержащий электрогенератор и систему управления (фиг. 5 и 6), имеет наибольшую эффек" тивность при передаче данных в процессе бурения потому, что в этом слу. чае имеется возможность передавать сигналы с помощью слабых сигналов ин".формационного скважинного прибора,например замыкая и размыкая контакты небольшого реле, частота несущая постоянна и поддерживается во время работы автоматически, на передаваемую информацию можно накладывать временные метки, которые синхронизируются по моменту передачи с пердаваемой информацией (на фиг 5 и 6 не показано) и, кроме того, вся забойная аппаратура запитывается напряжением от автономного источника - электрогенератора. 21, стабилизированного выпрямителя и фильтра (элементы 40-43, 39), что избавляет от необходимости использования аккумуляторов и батарей, устанавливаемых в забое.Мощность передаваемых сигналов достигает до 10-15 ак.кВт на частотах 100-2000 Гц, сигнал может приниматься в виде продольных или крутильных колебаний и последующей амплитудной или корреляционной обработкой, Иаксимальная глубина, с которой можно передать данные из забоя по колонне, составляет 3-4 км, по горным породам - до 1 км. Несущую частоту можно устанавливать с помощью стабилитрона 35, числа витков обмоток 16 и.магнитов 7. Иощность акустических колебаний, следовательно и дальность можно устанавливать с помощью подбора сечений щелей 9 и 10 и увеличения магнитов 7. Возможна 1003-ная модуляция по амплитуде и частоте, что полностью отвечает всем поставленным требованиям, предъявляемым к системе контроля за бурением. Практическая реализация устройства несложна и может быть легко освоена, прием ведется обычными датчиками давления или геофонами,Таким образом, предлагаемое скважинное устройство для передачи данных в процессе бурения обладает большой эффективностью действия, позволяет решить вопрос с питанием забойной информационной аппаратуры, вести передачу данных на одностабильной частоте с модуляцией по амплитуде и частоте с помощью импульсного кода и обеспечить большую помехозащищенность и дальность действия. Ожидаемый эфФект от использования одного устройства составляет примерно 25- 50 тыс, руб.