Устройство для контроля угла установки отклонителя

 

Назначение: изобретение относится к области беспроводного контроля параметров при турбинном способе бурения, в частности, одновременного контроля двух параметров общим устройством: геофизического - направления бурения и технологического - частоты вращения вала турбобура. Сущность изобретения: устройство дополнительно содержит кривой переводник и трубу-модулятор, соединенную с торцом вала трубобура через соединительный узел и встроенную во внутрь центральной втулки акустического резонатора. Звукопоглощающее горло выполнено в виде сквозного продольного паза в эксцентричном грузе. При этом этот сквозной продольный паз и одно из параллельных продольных сквозных звукопоглощающих отверстий центральной полой трубки акустического резонатора находятся в одной плоскости с плоскостью кривого переводника в направлении его искривления. 3 ил.

Изобретение относится к области беспроводного контроля параметров при турбинном способе бурения, в частности, одновременного контроля двух параметров одним устройством: геофизического направления бурения и технологического частоты вращения вала турбобура.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем получения информации о двух параметрах одной волновой паузой, причем перемещение частоты поглощения по частотному спектру шума характеризует геофизический параметр отклонение угла установки кривого переводника от плоскости искривления скважины, а изменение амплитуды характеризует технологический параметр частоту вращения вала турбобура.

Цель достигается тем, что устройство дополнительно содержит кривой переводник и трубу-модулятор, соединенную с торцом вала турбобура через соединительный узел и встроенную внутрь полой втулки акустического резонатора, причем звукопоглощающее горло в виде сквозного продольного паза в эксцентричном грузе и одно из параллельных продольных сквозных звукопоглощающих отверстий центральной полой втулки акустического резонатора находятся в одной плоскости с плоскостью кривого переводника в направлении его искривления.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается наличием новых элементов: кривым переводником и трубой-модулятором, соединенной с торцом вала турбобура через соединительный узел.

Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями, показывает, что устройство для контроля угла установки отклонителя известно [2] Однако дополнительное введение в устройство трубы-модулятора позволяет одним информационным сигналом контролировать сразу два параметра - геофизический (направление трубопровода в наклонном стволе скважины) по изменению частоты поглощения в частотном спектре шума и технологический (частоту вращения вала трубопровода) по изменению амплитуды от минимальной до максимальной величины (осуществляется амплитудно-импульсная модуляция частоты при перекрывании звукопоглощающего горла акустического резонатора трубой модулятором, соединенным с вращающимся валом турбобура).

Таким образом, заявленное устройство соответствует критерию "новизна".

Физическая сущность явления поглощения энергии звуковой вибрации акустическим резонатором явления заключается в том, что акустический резонатор это сосуд, сообщающийся с внешней средой через небольшое отверстие или трубку. Характерной особенностью акустического резонатора является способность совершать низкочастотные собственные колебания, длина волны которых больше размеров резонатора.

Согласно теории, развитой Гельмгольцем и Рэлеем, акустический резонатор рассматривается как колебательная система с одной степенью свободы.

В первом приближении можно считать, что кинетическая энергия сосредоточена в слое среды, движущейся в трубке, называемой горлом акустического резонатора, подобно жесткому поршню, а потенциальная энергия связана с упругой деформацией среды, заключенной в объеме.

Тогда собственная частота акустического резонатора не зависит от формы сосуда и формы поперечного сечения трубы и выражается формулой [3] где C скорость звука в среде; V объем сосуда; F и h соответственно площадь поперечного сечения и длина трубки.

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

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

Это свойство акустического резонатора, т.е. поглощение из спектра звуковой вибрации энергии заданной частоты, можно использовать, во-первых, для измерения геофизического параметра отклонения угла установки кривого переводника от плоскости искривления скважины, если изменять площадь поперечного сечения горла, во-вторых, для измерения технологического параметра частоты вращения вала турбобура, если периодически перекрывать звукопоглощающее горло.

Установленный на пути распространения упругих волн резонатор Гельмгольца (гаситель колебаний) поглощает из полигаpмонического спектра частоту - собственную частоту резонатора.

Поглощенная таким образом частота из спектра шума представляет собой информацию. Распpостpаняясь с забоя скважины, звуковая вибрация по колонне бурильных труб доходит до ведущей трубы на поверхности, на которой устанавливается акустический датчик (приемник, например, пьезокерамический элемент (на чертеже не показан).

Принятый сигнал на устье скважины акустическим приемником усиливается, преобразуется полосовыми фильтратами, детектируется и поступает на два аналоговых прибора (на чертеже не показан), один из которых показывает геофизический параметр, а другой технологический.

В процессе турбинного бурения на конце бурильной колонны присутствуют два источника звуковых колебаний. Первый источник это динамические удары зубьев (штырей) шарошечного долота о забой скважины, причем амплитуда его меняется от твердости горных пород и величины осевой нагрузки. Второй источник звука это вихревой шум турбинных лопаток забойного двигателя турбобура.

Дискретные частоты спектра упругих колебаний, генерируемые турбинными лопатками, определяются по формуле [4] где Z число лопаток турбинки; n частота вращения, об/мин; К номер гармоники.

Согласно справочным данным [5] например, для турбобура ЗТСШ1-195 при расходе промывочной жидкости 35 л/с, частота вращения вала составляет 935 об/мин. Учитывая, что число лопаток на роторной турбине Z 26, n 935 об/мин (холостой ход вала турбины), получаем основную частоту колебаний f 405 Гц, первая гармоника 810 Гц и т.д.

В отсутствии первого источника звука (случай отрыва долота от забоя) остается второй источник звука вихревой шум турбинных лопаток.

На фиг. 1 изображен продольный разрез устройства; на фиг. 2 разрез датчика А А; на фиг. 3 спектрограммы.

Устройство для контроля угла установки отклонителя содержит: 1 - соединительный узел (шлицевую полумуфту для соединения трубы-модулятора 3 с торцом вала турбобура), 2 окна для прохода промывочной жидкости, 3 - трубу-модулятор, 4 шарики, 5 продольное сквозное звукопоглощающее отверстие в центральной трубке (площадь данного отверстия соответствует частоте поглощения f 1200 Гц), 6 звукопоглощающее горло (продольный сквозной паз в эксцентричном грузе 10, 7 шарики, 8 кривой переводник, 9 - верхний кольцевой диск, 10 эксцентричный груз, 11 центральную втулку со звукопоглощающими отверстиями на частоты: 800, 1000, 1200, 1400 и 1600 Гц, 12 внутреннюю полость акустического резонатора, 13 продольный сквозной паз в трубе-модуляторе, 14 нижний кольцевой диск, 15 корпус устройства, 16 - звукопоглощающее отверстие в центральной втулке 11 и частоту поглощения f 800 Гц (см. фиг. 2), 17 звукопоглощающее отверстие в центральной втулке 11 на частоту поглощения f 1000 Гц (см. фиг. 2), 18 звукопоглощающее отверстие в центральной втулке 11 на частоту поглощения f 1400 Гц (см. фиг. 2), 19 звукопоглощающее отверстие в центральной втулке 11 на частоту поглощения f 1600 Гц (см. фиг. 2).

Акустический резонатор в первом приближении может быть описан как гармонический осциллятор с резонансной частотой и добротностью Q, причем приняты следующие геометрические параметры устройства: объем V резонансной камеры, равный 12720 см³; длина h звукопоглощающего горла (продольных пазов 16, 17, 5, 18 и 19) равна 2, 3 см; ширина отверстий 16, 17, 5, 18 и 19 равна 1 см; площади отверстий 16, 17, 5, 18 и 19 равны соответственно F₁ 32,8 см², F₂ 51,3 см², F₃ 72,7 см², F₄ 100,5 см², F₅ 131,3 cм².

Время раскачки осциллятора при помощи внешнего воздействия связано с добротностью Q и резонансной частотой f равенством
Задавая время t открытого отверстия резонатора из условия t, определяем максимальную добротность резонатора.

По данным расчета, имеем f₁ 800 Гц, f₂ 1000 Гц, f₃ 1200 Гц, f₄ 1400 Гц, f₅ 1600 Гц и f 0,1 с. Поэтому Q<ft/1,5; Q₁ 800x0,1/1,5 55; Q₂ 1000x0,1/1,5 60; Q₃ 1200x0,1/1,5 80; Q₄ 1400x0,1/1,5 92; Q₅ 1600x0,1/1,5 106.

Выбираем верхнюю границу добротности резонатора Q 10. При такой величине Q на раскачку резонатора уходит 0,015 с.

Согласно расчетной формуле [2]

где доля энергии поглощения резонатором от полной энергии, находящейся в объеме; F площадь звукопоглощающего отверстия; h высота горла; Q добротность; f резонансная частота; d диаметр проходного канала бурильной трубы; c скорость звука в жидкости.

Расчетные данные:
F₁ 38,8 см²; F₂ 51,3 см²; F₃ 72,7 см²; F₄ 100,5 см²; F₅ 131,3 см²;
Q₁ Q₂ Q₃ Q₄ Q₅ 10;
f₁ 800 Гц; f₂ 1000 Гц; f₃ 1200 Гц; f₄ 1400 Гц; f₅ 1600 Гц;
h₁ h₂ h₃ h₄ h₅ 2,3 см;
d 10 см;
k₁=0,1 0,1; ₂=0,6 0,6; ₃=1,0 1,0; ₄=1,3 1,3; ₅=2,4. 2,4.

Звукопоглощающее отверстие 16 поглощает 13% акустической энергии, отверстие 17 60% отверстие 5 100% отверстие 18 130% и отверстие 19 - 240%
Статический режим
Устройство для контроля угла установки отклонителя размещается над третьей секцией шпиндельного турбобура типа ЗТСШ1-195 (или ЗТСШ-195 ТЛ).

В корпус устройства 15 последовательно вставляют: нижний кольцевой диск 14, центральную втулку 11, шарики 4, эксцентричный груз 10 (втулку-перекрыватель продольных сквозных звукопоглощающих отверстий), шарики 7, верхний кольцевой диск 9. Затем на корпус устройства 15 при вставленных элементах наворачивают кривой переводник 8 таким образом, чтобы продольное сквозное звукопоглощающее отверстие 5 в центральной втулке 11 находилось в одной плоскости кривого переводника, но диаметрально противоположном направлении его искривления. Далее соединяют торец вала турбобура (не показан) с трубой модулятора 3 через соединительный узел (шлицевую полумуфту) 1 и вставляют во внутрь центральной втулки 11 собранного устройства, с последующим заворачиванием устройства.

Собранное таким образом устройство для контроля угла установки отклонителя готово для эксплуатации.

Динамический режим.

Спуск в скважину устройства осуществляют по ориентированным меткам.

Для периодического замера угла положения плоскости направления отклонителя по отношению к плоскости направления скважины в процессе бурения осуществляют отрыв долота от забоя на 3-5 м в течение 1-2 мин для исключения влияния реактивного момента и влияния чистотного спектра работы долота (взаимодействие зубьев шарошек с забоем) на частотный спектр звуковой вибрации, генерируемой забойным двигателем.

Если в процессе замера угла положения плоскости отклонителя по отношению к плоскости положения скважины на спектрограмме анализатора наземного прибора (не показан) поглощенная частота окажется равной 1200 Гц (см. фиг. 3), то это означает, что внутренняя полость 12 акустического резонатора соединена с внутренней полостью бурильной колонны, по которой распространяются упругие волны, через звукопоглощающее горло 6 в эксцентричном грузе 10, продольное сквозное звукопоглощающее отверстие 5 центральной втулки 11 и продольный сквозной паз 12 трубы-модулятора 3.

Частота 1200 Гц (см. фиг. 3,а и 3,б) означает, что бурение осуществляется в плоскости направления скважины и отклонений нет. Данную геофизическую информацию показывает аналоговый прибор, проградуированный в гpадусах (не показан).

Одновременно технологический аналоговый прибор (отградуированный в об/мин) показывает частоту вращения вала турбобура, т. к. звукопоглощающее отверстие 5 периодически перекрывается центральной втулкой 11 (см. фиг. 2).

Если после очередного замера фиксируется на спектрограмме частота поглощения 1000 Гц (см. фиг. 3,д), то это означает, что центральная втулка 11 (см. фиг. 2) вместе с корпусом 15 повернулась влево на угол, равный 5^o, и звукопоглощающее горло 6 эксцентричном грузе 10 совместилось с продольным сквозным звукопоглощающим отверстием 17. Данную теплофизическую информацию покажет "геофизический" аналоговый прибор.

Одновременно "технологический" аналоговый прибор покажет частоту вращения вала турбобура, так как осуществляется амплитудно-импульсная модуляция частоты f 1000 Гц (см. фиг. 3,е) трубой-модулятором 3, т.е. происходит периодическое перекрывание звукопоглощающего горла 6 (см. фиг. 2) продольным сквозным пазом 12 при вращении последней.

Получив такую информацию о геофизическом параметре, бурильщик осуществляет операцию поворота бурильной колонны ротором вправо. Пробурив интервал горной породы, равный длине ведущей трубы (квадрата), бурильщик проводит контрольный размер.

Если после следующего замера зафиксируется частота поглощения, равная 1400 Гц (см. фиг. 3,в), то это означает, что совместилось звукопоглощающее горло 6 (см. фиг. 2) со сквозным отверстием 18.

"Технологический" аналоговый прибор продолжает показывать частоту вращения вала турбобура, т. к. на спектрограмме (см. фиг. 3,г) амплитуда на частоте 1400 Гц периодически меняется.

Получив информацию о геофизическом параметре бурильщик, осуществляет операцию поворота бурильной колонны влево.

Таким образом, при любых углах поворота корпуса 15, который жестко связан с кривым переводником 8, звукопоглощающее горло 6 эксцентричного груза 10 всегда находится в вертикальном положении.

При совмещении любого сквозного звукопоглощающего отверстия из пяти (16, 17, 5, 18, 19) со звукопоглощающим горлом 6 из спектра шума поглотится (с поворотом или без поворота кривого переводчика относительно плоскости искривления скважины) частота, котоpая зафиксируется "геофизическим" прибором, а при перекрывании этого же отверстия трубой-модулятора будет осуществляться амплитудно-импульсная модуляция, которая зафиксируется "технологическим" прибором как частота вращения вала турбобура.

При использовании данного устройства силами буровой бригады обеспечивается ориентирование отклонителя и осуществляется контроль частоты вращения вала турбобура, причем появляется возможность однозначно определить, в какую сторону происходит отклонение плоскости отклонителя от плоскости направления скважины, и увеличить механическую скорость и проходку на долото за счет поддержания заданного значения осевой нагрузки по геолого-технологическому наряду.

Формула изобретения

Устройство для контроля угла установки отклонителя, содержащее корпус, в котором установлены эксцентричный груз, расположенный в подшипниках, и узел формирования информации о положении плоскости искривления отклонителя, выполненный в виде акустического резонатора с звукопоглощающим горлом в виде продольного паза в эксцентричном грузе, внутри которого соосно установлена резонансная камера, выполненная в виде центральной полой втулки, вдоль образующих которой параллельно друг другу выполнены продольные звукопоглощающие отверстия, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем получения информации о двух параметрах одной волновой паузой, оно снабжено кривым переводником, трубой-модулятором и соединительным узлом, причем труба-модулятор встроена во внутрь центральной полой втулки акустического резонатора и соединена с торцем вала турбобура через соединительный узел, а сквозной продольный паз в эксцентричном грузе сквозных звукопоглощающих отверстий центральной полой втулки находится в одной плоскости с плоскостью кривого переводника в направлении его искривления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3