устройство для контроля угла наклона к плоскости горизонта турбобура при бурении горизонтальных скважин

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ УГЛА НАКЛОНА К ПЛОСКОСТИ ГОРИЗОНТА ТУРБОБУРА ПРИ БУРЕНИИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН, содержащее корпус и расположенные внутри него резонансные камеры, отличающееся тем, что оно снабжено установленной соосно с корпусом центральной трубой, двумя размещенными внутри трубы параллельными перегородками, установленными на торцах трубы крышками, и размещенным между перегородками в нижней части трубы эксцентричным грузом, при этом резонансные камеры образованы боковой поверхностью центральной трубы, перегородками и крышками на торцах трубы, а каждая перегородка выполнена с отверстием и пластиной для перекрывания этого отверстия, причем отверстия выполнены в виде круговых секторов с направленными в противоположные стороны дугами относительно центра равновесия центральной трубы, а пластины выполнены в виде круговых сегментов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контролю геофизических параметров в скважинах при турбинном бурении, в частности для контроля угла наклона к плоскости горизонта турбобура при бурении горизонтальных нефтяных и газовых cкважин.

Известны устройства для определения отклонения скважины от горизонтали, например, содержащее источник света, установленный на диске, причем диск с источником света и диск с фиксатором отклонителя светового луча размещены с возможностью вращения в кольцах, закрепленных во втулках на двух противоположно расположенных подвесах, эксцентрично установленных относительно оси, направленной по диаметру диска к параллельной линии расположения подвесок [1]

Недостаток устройства состоит в том, что оно сложно по конструкции и не может работать в условиях вибраций и ударов.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для модуляции шума в бурильной колонне при турбинном бурении скважин, которое содержит корпус переводника, резонансные камеры, вал турбины, перфорированную трубу, щелевую перфорацию трубы, щелевые перфорации объемных камер [2]

Недостаток устройства состоит в том, что оно не обеспечивает возможности измерения игла наклона от горизонтальной линии, так как предназначено для контроля числа оборотов вала турбобура.

Целью изобретения является обеспечение возможности измерения угла наклона от горизонтальной линии устройства, жестко связанного с турбобуром за счет изменения площади отверстия резонансной камеры при наклоне бурильного инструмента.

Цель достигается тем, что оно снабжено установленной соосно корпусу центральной трубой, двумя размещенными внутри трубы параллельными перегородками, установленными на торцах крышками и размещенным между перегородками в нижней части трубы эксцентричным газом, при этом резонансные камеры образованы боковой поверхностью центральной трубы, перегородками и крышками на торцах трубы, а каждая перегородка выполнена с отверстием и пластиной для перекрывания этого отверстия, причем отверстия выполнены в виде круговых секторов с направленными в противоположные стороны дугами относительно центра равновесно центральной трубы, а пластины выполнены в виде круговых сегментов.

Физическая сущность изобретения заключается в том, что резонансная камера это сосуд, сообщающийся с внешней средой через небольшое отверстие или трубку. Характерной особенностью резонансной камеры является способность совершать низкочастотные колебания, длина волны которых значительно больше размеров камеры. Согласно теории, развитой Гельмгольцем и Рэлеем, резонансная камера рассматривается как колебательная система с одной степенью свободы.

Можно считать, что кинетическая энергия сосредоточена в слое среды, движущейся в отверстии или трубке резонатора, подобно жесткому поршню, а потенциальная энергия связана с упругой деформацией среды, заключенной в объеме.

Тогда собственная частота резонансной камеры не зависит от формы сосуда и формы поперечного сечения отверстия или трубки и выражается формулой

f где c скорость звука в среде;

V объем сосуда;

F и h соответственно площадь и глубина соединительного отверстия.

Ввиду того, что входной импеданс резонансной камеры на частоте f мал, наличие такой резонансной камеры на стенке звуковода резко изменяет условия распространения звуковой волны с частотой f, вызывая ее эффективное отражение.

При резонансе колебательная скорость частиц среды в отверстии или трубке резонансной камеры велика и при наличии трения звук частоты f интенсивно прекращается.

Это свойство резонансной камеры, т.е. поглощение из спектра звуковой вибрации энергии заданной частоты можно использовать для контроля угла наклона к плоскости горизонта турбобура при бурении горизонтальных скважин, например, если при постоянном объеме сосуда и глубине отверстия изменять площадь отверстия путем его частичного перекрывания пластиной, которая находится в вертикальном положении.

На фиг. 1 изображено устройство для контроля угла наклона к плоскости горизонта турбобура, поперечный разрез; на фиг.2 устройство с первой резонансной камерой (контролируется угол наклона вниз к плоcкоcти горизонта); на фиг. 3 уcтройcтво c второй резонанcной камерой (контролируетcя угол наклона вверх от плоскости горизонта); на фиг.4-9 пластины первой и второй резонансных камер с положениями пластин по отношению отверстий при положении турбобура относительно плоскости горизонта (вид из внутренней полости резонансной камеры); на фиг.5 спектрограммы.

Устройство для контроля угла наклона к плоскости горизонта турбобура при бурении горизонтальных скважин состоит (фиг.1) из корпуса 1 переводника, центральной трубы 2, перегородки 3 первой резонансной камеры, пластины 4 первой резонансной камеры (пластина выполнена в виде кругового сегмента), внутренней полости первой резонансной камеры 5, перегородки 6 второй резонансной камеры, пластины 7 второй резонансной камеры (пластина выполнена в виде кругового сегмента), внутренней полости второй резонансной камеры 8, обоймы 9 шариков, шариков 10 (шарики служат для того, чтобы центральная труба с резонансными камерами свободно вращалась вокруг своей оси), эксцентричного груза 11 (эксцентричный груз выполнен в нижней части центральной трубы 2 вдоль образующей между параллельно расположенными перегородками 3 и 6 для того, чтобы при любом положении турбобура перегородки 3 и 6 находились в вертикальном положении), центрального канала 12 для прохода промывочной жидкости (центральный канал образован между двумя перегородками 3 и 6, эксцентричным грузом 11 и частью центральной трубы 2), отверстия 13 первой резонансной камеры (фиг.2), выполненного в виде кругового сектора с дугой в сторону верхнего соединительного переводника (отверстие открывается при наклоне турбобура от плоскости горизонта вниз), отверстия 14 второй резонансной камеры (фиг.3), выполненного в виде кругового сектора с дугой в сторону нижнего соединительного переводника (отверстие открывается при наклоне турбобура от плоскости горизонта вверх), крышки 15, нижнего соединительного переводника 16 (нижний переводник предназначен для соединения собранного устройства с турбобуром), верхнего соединительного переводника 17 (верхний переводник предназначен для соединения собранного устройства с колонной бурильных труб).

Устройство размещается над третьей секцией шпиндельного турбобура 3ТСШ1-195.

На примере различных углов наклона к плоскости горизонта турбобура при бурении горизонтальной скважины рассматривается работа устройства.

Диапазон поглощаемых частот выбран 301-1908 Гц. Частоты выбраны из условия возбуждения их на забое и прохождении их по колонне бурильных труб, которые наблюдаются в экспериментальных спектрограммах, снятых по поверхности в процессе бурения скважины.

В табл.1 и 2 приведены расчеты на ЭВМ геометрических параметров двух резонансных камер по формуле

f где f частота поглощения, Гц; F площадь отверстия, м²; с скорость звука в жидкости, м/с; h глубина отверстия, м; V объем резонансной камеры, м³.

Статический режим.

В турбинном цехе ЦБПО производят сборку устройства в следующей последовательности.

На перегородки 3 и 6 напротив отверстий 13 и 14 прикрепляются пластины 4 и 7. После этого в центральную трубу 2 в пазы (не показаны) вставляются параллельно друг другу перегородки 3 и 6 с пластинами.

Далее внутренние полости резонансных камер закрываются четырьмя крышками 15 и во внутрь центральной трубы 2 между параллельно расположенными перегородками 3 и 6 вставляют эксцентричный груз 11.

На собранную таким образом конструкцию на торцы вставляют обоймы 9 с шариками 10 и встраивают в корпус 1 устройства.

Для закрепления всей конструкции с обеих сторон корпуса 1 устройства наворачивают нижний переводник 16 и верхний переводник 17.

Динамический режим.

В процессе бурения горизонтальной скважины устройство для контроля угла наклона к плоскости горизонта турбобура отклоняется от горизонтальной плоскости и в зависимости от угла наклона срабатывает или первая резонансная камера, или вторая резонансная камера, т.е. происходит изменение площади F одной из резонансных камер путем перекрывания площади отверстия пластиной.

Тогда согласно соотношению

f из спектра шума бурильной колонны происходит поглощение частоты f.

П р и м е р. Отсутствие на спектрограмме поглощенных частот (фиг.10, а) показывает, что турбобур находится в горизонтальном положении. Это значит, что отверстие 13 (фиг.4) первой резонансной камеры (фиг.2) и отверстие 14 (фиг. 7) второй резонансной камеры (фиг.3) полностью закрыты пластинами 4 (фиг.4) и 7 (фиг.7).

Если на спектрограмме появится информация об отсутствии частоты f=301 Гц (фиг. 10, б) в частотном спектре шума бурильной колонны, то это значит, что перегородка 3 (фиг.2) первой резонансной камеры наклонилась вниз (фиг.5), а пластина 4 (фиг.5) открыла отверстие 13 на угол 1^о (табл.1), площадь которого составляет 1,3 см² (табл.1), в то время как отверстие 14 второй резонансной камеры (фиг.3) закрыто пластиной 7 (фиг.8).

Следовательно, положение турбобура относительно плоскости горизонта составляет 1^о.

Получив такую информацию, бурильщик должен изменить режим бурения согласно геолого-технологического наряда или увеличить или уменьшить осевую нагрузку на долото до появления на спектрограмме частоты f=301 Гц (см. фиг.10, а), т.е. привести положение турбобура в горизонтальное положение.

Если на спектрограмме появится информация от отсутствии частоты f=1102 Гц (см. фиг.10, з) в частотном спектре шума бурильной колонны, то это значит, что перегородка 6 (фиг.3) второй резонансной камеры наклонилась вверх (фиг.9), а пластина 7 (фиг.9) открыла отверстие 14 на угол 2^о (табл.2), площадь которого составляет 2,5 см² (табл.2), в то время как отверстие 13 первой резонансной камеры (фиг.2) закрыто пластиной 4 (фиг.6).

Следовательно, положение турбобура относительно плоскости горизонта составляет 2^о.

При получении такой информации бурильщик будет принимать меры согласно геолого-технологического наряда, по изменению режима бурения до появления на спектрограмме частоты f=1102 Гц (фиг.10, а), т.е. положение турбобура привести в горизонтальное положение.

Таким образом, используя спектрограмму как индикатор с известными поглощаемыми частотами от резонансных камер, можно осуществить бурение в заданном направлении.

В настоящее время в отечественных телеметрических системах, применяемых при инклинометрии скважин, отсутствуют средства для контроля горизонтальных углов, а зарубежные инклинометры, например, фирмы "Сперри-Сан уэл сервейинг" США, используют гидравлический канал связи, причем инклинометры укомплектованы программирующим устройством на интегральных схемах.

Предлагаемое устройство использует акустический канал связи, просто по конструкции и может осуществлять контроль непрерывно в процессе бурения горизонтальной скважины.