способ получения забойной информации о частоте вращения вала турбобура

Формула изобретения

Способ получения забойной информации о частоте вращения вала турбобура, содержащий размещение бурового насоса, нагнетательной линии, бурильной колонны, турбобура, предусматривающий следующие операции: а) дополнительно размещают в нагнетательной линии бурового насоса наземный резонатор; б) дополнительно размещают над турбобуром вращающийся глубинный резонатор, при этом осуществляют: генерирование широкополосного спектра звуковых частот буровым насосом в нагнетательную линию; перераспределение энергии частот в спектре, генерируемом буровым насосом, в диапазон низких частот наземным резонатором; генерирование широкополосного спектра звуковых частот вращающимся глубинным резонатором, жестко соединенным с валом турбобура, в полость бурильной колонны; периодическое перераспределение энергии звуковых частот в спектре, генерируемом турбобуром, в диапазон низких звуковых частот вращающимся глубинным резонатором пропорционально частоте вращения вала турбобура.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к бурению скважин, и может быть использовано для контроля частоты вращения вала турбобура и для управления процессом бурения.

Известен способ получения информации путем подавления по амплитуде полосы частот, генерируемой турбобуром датчиком оборотов, входящим в состав акустической телеметрической системы контроля числа оборотов вала турбобура, содержащей забойный датчик информационных сигналов, приемник акустического сигнала, усилитель и блок декодирования [патент RU 2291961 С2, кл. Е21В 47/14, Е 45/00, опубл. 20.01.2007].

Недостатком известного способа является низкая помехоустойчивость канала связи в области приема акустической информации из-за акустической помехи, создаваемой буровым насосом в том же диапазоне низких частот, что и полезный акустический сигнал.

Наиболее близким по технической сущности является способ однополосной модуляции сигнала, заключающегося в том, что при подавлении несущей частоты амплитуды боковых полос возрастают [Савиных Ю.А., Хмара Г.А. Звуковой канал связи для передачи технологических параметров при турбинном бурении // Известия высших учебных заведений. - Нефть и газ, 2010, № 3. - С.27-33].

Известный способ однополосной модуляции сигнала можно перенести на способ передачи глубинной информации, т.е. на область низких звуковых колебаний, генерируемых буровым насосом и турбобуром.

Технической задачей изобретения является разработка способа для надежного контроля частоты вращения вала турбобура и управление процессом бурения. При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет сложения низких частот бурового насоса и турбобура, преобразованных четвертьволновыми резонаторами из высокочастотных спектров, генерируемых вышеуказанными источниками.

Технический результат достигается тем, что способ получения забойной информации о частоте вращения вала турбобура, содержащего буровой насос, нагнетательную линию, бурильную колонну, турбобур, предусматривает следующие операции:

а) дополнительное размещение в нагнетательной линии бурового насоса наземного резонатора;

б) дополнительное размещение над турбобуром вращающегося глубинного резонатора,

при этом осуществляется:

- генерирование широкополосного спектра звуковых частот буровым насосом в нагнетательную линию;

- перераспределение энергии частот в спектре, генерируемом буровым насосом, в диапазон низких частот наземным резонатором;

- генерирование широкополосного спектра звуковых частот вращающимся глубинным резонатором, жестко соединенным с валом турбобура, в полость бурильной колонны;

- периодическое перераспределение энергии звуковых частот в спектре, генерируемом турбобуром, в диапазон низких звуковых частот вращающимся глубинным резонатором пропорционально частоте вращения вала турбобура;

- повышение надежности получения забойной информации о частоте вращения вала турбобура достигается за счет обеспечения надежного канала для передачи информации, стабильности за счет сложения низких частот, обладающих минимальным затуханием.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном способе получения числа оборотов вала турбобура информация контролируется по многократному увеличению амплитуды звука в диапазоне низких частот.

Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию «Новизна».

Сравнение заявленного решения с другими решениями показывает, что передача звукового сигнала от долота и турбобура известна [патент RU 2291961 С2, кл. Е21В 47/14, Е 45/00, опубл. 20.01.2007], подавление низкочастотной звуковой помехи от бурового насоса также известно [патент RU 2333351 C1, кл. Е21В 44/00, опубл. 10.09.2008]. Однако неизвестно, что при подавлении частоты в спектре звука происходит перераспределение энергии, благодаря чему в несколько раз увеличивается амплитуда звука соседних частот: выше и ниже подавляемой.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».

Основные положения физической сущности для осуществления способа.

1. Генерирование звуковых волн в промывочную жидкость буровым насосом и турбобуром.

2. Подавление по амплитуде полосы частот резонатором в нагнетательной линии бурового насоса [патент RU 2270312 C1, кл. Е21В 4/00, Е21В 45/00, опубл. 20.02.2006].

3. Периодическое подавление по амплитуде полосы частот, генерируемой турбобуром датчиком оборотов (вращающимся глубинным резонатором) [патент RU 2291961 С2, кл. Е21В 47/14, Е 45/00, опубл. 20.01.2007].

4. Перераспределение энергии частот в спектре, генерируемом буровым насосом и турбобуром, в диапазон низких частот при помощи резонаторов аналогично способу однополосной модуляции электромагнитных колебаний [Савиных Ю.А., Хмара Г.А. Звуковой канал связи для передачи технологических параметров при турбинном бурении // Известия высших учебных заведений. - Нефть и газ, 2010. № 3. - С.27-33].

5. Информация о частоте вращения вала турбобура определяется по приращению амплитуды звуковых колебаний в низкочастотной полосе.

На фиг.1 изображена технологическая схема турбинного бурения с размещенными резонаторами.

На фиг.2 показан спектр звука АЧХ S₁ ( )_БН, генерируемого буровым насосом.

На фиг.3 показан спектр звука АЧХ S₃( )_ТБ, генерируемого турбобуром.

На фиг.4 показан спектр звука АЧХ S₂( )_БН.Р, генерируемого буровым насосом, после преобразования наземным резонатором.

На фиг.5 показан суммарный спектр звука АЧХ S₅( ), генерируемого турбобуром, и преобразованного спектра звука бурового насоса.

На фиг.6 показан спектр звука АЧХ S₄( )_ТБ.Р турбобура после преобразования вращающимся глубинным резонатором.

На фиг.7 показан суммарный спектр звука АЧХ S₆( ), преобразованного резонаторами.

На фиг.1 показано: 1 - буровой насос, 2 - нагнетательная линия, 3 - наземный резонатор, 4 - буровой шланг, 5 -гидрофон, 6 - гусак, 7 - вертлюг, 8 - скважина, 9 - бурильная колонна, 10 - вращающийся глубинный резонатор, 11 - турбобур, 12 - долото.

На фиг.2 показан спектр звука АЧХ S₁( )_БН, генерируемого буровым насосом с полосой частот от ₁ до _n с амплитудой a (индекс БН - буровой насос).

На фиг.3 показан спектр звука АЧХ S ₃( )_ТБ, генерируемого турбобуром с полосой частот от ₁ до _m с амплитудой b (индекс ТБ - турбобур).

На фиг.4 показан спектр звука АЧХ, генерируемого буровым насосом, после преобразования наземным резонатором

S₂( )_БН.P= ₁+ _БН.Р+ ₂,

где ₁ - область низких частот, преобразованная резонатором из общего спектра S₂( )_БН.Р с амплитудой c=a+ a ( a - приращение амплитуды после преобразования резонатором);

_БН.Р - область частот, подавленная резонатором в общем спектре S₂( )_БН.Р (индекс БН - буровой насос, Р - резонатор);

₂ - область высоких частот, преобразованная резонатором из общего спектра S₂( )_БН.Р с амплитудой c=a+ а.

На фиг.5 показан суммарный спектр звука АЧХ, генерируемого турбобуром, и преобразованного спектра звука бурового насоса

S₅( )= ₁+ _БН.Р+ ₂,

где ₁ - область низких частот, преобразованная резонатором из общего спектра S₅( ) с амплитудой d=b+c;

_БН.Р - область частот, подавленная резонатором в общем спектре S₅( ) с амплитудой b;

₂ - область высоких частот, преобразованная резонатором из общего спектра S₅( ) с амплитудой d=b+c.

На фиг.6 показан спектр звука АЧХ S₄( )_ТБ.Р, генерируемого турбобуром, после преобразования вращающимся глубинным резонатором

S ₄( )_ТБ.P= ₁+ _БН.Р+ ₂,

где ₁ - область низких частот, преобразованная резонатором из общего спектра S₄( )_ТБ.Р с амплитудой e=b+ b ( b - приращение амплитуды после преобразования резонатором);

_ТБ.Р - область частот, подавленная резонатором в общем спектре S₄( )_ТБ.Р (индекс ТБ - турбобур, Р - резонатор);

₂ - область высоких частот, преобразованная резонатором из общего спектра S₄( )_ТБ.Р с амплитудой e=b+ b.

На фиг.7 показан суммарный спектр звука АЧХ, генерируемого турбобуром и буровым насосом, преобразованного резонаторами

S₆( )= ₁+ _P+ ₂,

где ₁ - область низких частот, преобразованная резонатором из общего спектра S₆( ) с амплитудой f=a+ a+b+ b;

_Р - область частот, подавленная резонатором в общем спектре s₆( ) (индекс Р - резонатор);

₂ - область высоких частот, преобразованная резонатором из общего спектра S₆( ) с амплитудой f=a+ a+b+ b.

Пример осуществления способа

Первая операция. Осуществляется размещение в нагнетательной линии 2 (фиг.1) между буровым шлангом 4 (фиг.1) и буровым насосом 1 (фиг.1) наземного резонатора 3 (фиг.1). При этом буровой насос 1 (фиг.1) генерирует широкополосный спектр звуковых частот S₁( )_БН диапазоне ₁- _n с амплитудой а (фиг.2) в нагнетательную линию 2 (фиг.1), при этом происходит перераспределение частот в спектре S₂( )_БН.Р (фиг.4), генерируемом буровым насосом, в диапазон низких частот ₁ с амплитудой c=a+ a и высоких частот ₂ с амплитудой c=a+ a наземным резонатором 3 (фиг.1).

Вторая операция. Осуществляется размещение в бурильной колонне 9 (фиг.1) над турбобуром 11 (фиг.1) вращающегося глубинного резонатора 10 (фиг.1), жестко соединенного через вал турбобура с долотом 12 (фиг.1). При этом происходит генерирование широкополосного спектра звуковых частот S₃( )_ТБ в диапазоне ₁- _m с амплитудой b (фиг.3) закрытым вращающимся глубинным резонатором 10 (фиг.1), жестко связанным через вал турбобура 11 (фиг.1) с долотом 12 (фиг.1), в полость буровой колонны 9 (фиг.1), при этом происходит перераспределение частот в спектре S₄( )_ТБ.Р (фиг.6), генерируемом открытым вращающимся глубинным резонатором 10 (фиг.1), жестко связанным через вал турбобура 11 (фиг.1) с долотом 12 (фиг.1), в полость буровой колонны 9 (фиг.1) в диапазон низких частот ₁ с амплитудой e=b+ b и высоких частот ₂ с амплитудой e=b+ b.

При этом осуществляется прием гидрофоном суммарного спектра S₆( ) с амплитудой d=b+c (фиг.6) с подавленной _БН.Р с оставшейся амплитудой b от закрытого вращающегося глубинного резонатора 10 (фиг.1) и низких частот ₁ с амплитудой d, при этом полоса звука высокой частоты ₂ с амплитудой d затухает, не достигая гидрофона.

При этом осуществляется прием гидрофоном суммарного спектра S₆( ) с амплитудой f=a+ a+b+ b (фиг.7) с подавленной _Р открытым вращающимся глубинным резонатором 10 (фиг.1) и низких частот ₁ с амплитудой f, при этом полоса звука высокой частоты ₂ с амплитудой f затухает, не достигая гидрофона.