устройство для регистрации вибрации бурильной колонны в процессе бурения скважины

Формула изобретения

Устройство для регистрации вибрации бурильной колонны в процессе бурения скважины, содержащее основание, жестко связанное с вертлюгом, цилиндрический корпус с расположенными в нем датчиками вибрации и усилителем электрических сигналов, регистрирующее устройство, отличающееся тем, что в устройстве установлены по крайней мере три датчика вибрации, расположенные по радиусу под углом друг к другу, определяемом по формуле

= 360^o/n, (n = 3, 4, 5, ...),

где n - количество датчиков, соединенных между собой параллельно и связанных с основанием посредством виброгасящих прокладок,

а усилитель электрических сигналов выполнен в виде согласующего трансформатора, первичная обмотка которого через фильтр нижних частот подключена к датчикам вибрации, а вторичная - через герметичный разъем к регистрирующему устройству, при этом внутренняя поверхность корпуса и датчики покрыты звукопоглощающими оболочками, а свободный объем в корпусе заполнен герметизирующим материалом.

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к технике измерения продольных колебаний распространяющихся по бурильной колонне в процессе бурения и предназначено для проведения геофизических работ при вертикальном сейсмическом профилировании (ВСПБ), а также для проведения геолого-технологических исследований.

Известен способ регистрации вибрации бурильных труб на устье скважины и датчик для его осуществления [1]. Датчик для регистрации вибрации бурильных труб на устье скважины содержит корпус, чувствительный элемент для снятия информационного сигнала с вращающейся трубы, выполненный в виде катушки индуктивности, концентрически расположенной относительно буровой трубы и источник подачи энергии, выполненный в виде катушки индуктивности, расположенной концентрически снаружи чувствительного элемента.

Недостатком этого устройства является отсутствие надежной защиты от помех и существенное влияние на его стабильную работу климатического и температурного фактора. Устройство имеет недостаточную точность и глубину исследования.

Известно также устройство для контроля процесса бурения, [2] содержащее два канала: измерительный и управляющий, включающие в себя датчики вибрации и преобразователи электрических сигналов с датчиков для передачи их по оптоволоконной линии связи и обычной двухпроводной линии, а также функциональные узлы регистрирующей аппаратуры [2].

Недостатком этого устройства является невысокая помехоустойчивость, так как учитываются и ослабляются только помехи связанные с работой бурового насоса, а также помехи, связанные с передачей измеренного сигнала по оптоволоконной линии связи. Данное устройство по прежнему регистрирует весь спектр виброакустических сигналов, в том числе и многочисленные помехи, имеющих место на вертлюге. К недостаткам следует отнести сложности с организацией питания полупроводниковой схемы преобразователя на вертлюге, ограниченный температурный диапазон ее использования.

Наиболее близким по технической сущности прототипом является устройство для виброакустических исследований в верхней части бурильной колонны на вертлюге [3] - прототип. Устройство содержит три датчика вибрации - акселерометра для измерения продольных, поперечных и крутильных колебаний, расположенных в цилиндрическом корпусе, крепежное основание, измерительную плату с предварительным усилителем для усиления и согласования сигналов с датчиков вибрации, выходной разъем и соединительный кабель, связывающий устройство с регистрирующей аппаратурой.

Недостатком этого устройства является также недостаточная помехоустойчивость. Данное устройство предназначено для проведения геолого-технологических исследований и служит для регистрации всего спектра виброакустических колебаний, имеющих место на вертлюге при сборе геолого-технологической информации в процессе бурения скважины. Уже это обстоятельство делает его малопригодным для использования в ВСПБ. Из-за большого уровня регистрируемых устройством помех снижается точность и глубина исследования. Организация питания предусилителя по дополнительным проводам до регистрирующей аппаратуры снижает помехоустойчивость и электромагнитным полям, усложняет устройство. Использование полупроводниковых схем в предусилителе снижает его надежную работу при экстремальных отрицательных температурах до -50^oС, имеющих место на практике. В устройстве не предусмотрена акустическая защита, существенно также влияние наводок и утечек, связанных с недостаточной герметичностью исполнения.

Полезным сигналом, подлежащим регистрации, являются продольные колебания, связанные с воздействием бурового долота на разбуриваемую породу, и собственные продольные колебания бурильной колонны, вызванные этим воздействием. На практике на полезные продольные колебания, возникающие в процессе бурения скважины, накладываются многочисленные помехи, связанные с раскачиванием буровой вышки и бурильной колонны, при работе буровых механизмов (дизелей, насосов) присутствует мощный фон электромагнитных волн-помех, связанных с работой силового оборудования и т.п. Все эти помехи во много раз превышают уровень полезного сигнала, подлежащего регистрации. Полезный сигнал при проведении ВСПБ необходимо регистрировать в наиболее чистом виде, так как он служит опорным сигналом, с которым производится дальнейшая работа в указанной методике и который необходим для оценки геолого-технологической информации.

Задачей изобретения является повышение помехоустойчивости, глубины исследований, а также расширение рабочего температурного диапазона в область отрицательных температур, технологических и эксплуатационных возможностей.

Поставленная задача решается следующим образом. В устройстве для регистрации вибрации бурильной колонны содержащем основание, жестко связанное с вертлюгом, цилиндрический корпус, с расположенными в нем датчиками вибрации и усилителем электрических сигналов, регистрирующее устройство, установлены по крайней мере три датчика вибрации, расположенные по радиусу под углом друг к другу, определяемом по формуле 360^o/n (n = 3, 4, 5 ...), где n - количество датчиков, соединенных между собой параллельно и связанных с основанием посредством виброгасящих прокладок, а усилитель электрических сигналов выполнен в виде согласующего трансформатора, первичная обмотка которого через фильтр нижних частот подключена к датчикам вибрации, а вторичная - через герметичный разъем к регистрирующему устройству, при этом внутренняя поверхность корпуса и датчики покрыты звукопоглащающими оболочками, а свободный объем в корпусе заполнен герметизирующим материалом.

Все паразитные колебания - помехи в отличие от полезных продольных колебаний, если их оценивать в разных точках плоскости, перпендикулярной оси буровой колонны, имеют неодинаковую амплитуду вплоть до обратной ее полярности и фазу, что позволяет осуществлять их суммирование датчиками вибрации, располагаемыми в корпусе устройства по радиусу под углом альфв друг к другу, равном 360^o/n (n = 3, 4, 5 ...), где n - количество датчиков в устройстве. Минимальное количество датчиков осуществляющих суммирование, может быть не менее трех, увеличение их количества усиливает достигаемый положительный эффект.

Параллельное соединение датчиков вибрации между собой увеличивает суммарную емкость их пьезоэлектрических преобразователей. Это дает возможность использовать в качестве усилителя электрических сигналов понижающего трансформатора - пассивного элемента, который используется в качестве согласующего устройства. При этом устраняется необходимость в организации стабильного питания, в дополнительных проводах для питания по длинной линии, что упрощает устройство, повышает его помехоустойчивость, а также позволяет расширить рабочий температурный диапазон в область низких температур до -50^oС, критических для работы электронных полупроводниковых схем усилителя прототипа.

Виброгасящие прокладки служат для крепления датчиков к основанию устройства и являются механическими фильтрами, ослабляющими влияние высокочастотных помех на полезный регистрируемый сигнал. При этом резонансная частота установки датчик - виброгасящая прокладка выбирается равной:

f_р = 3f_в.гр

где f_в.гр - верхняя граничная частота рабочего диапазона датчика.

Кроме того, виброгасящая прокладка служит дополнительной механической развязкой датчиков вибрации от воздействия деформаций корпуса, основания устройства, имеющих место в процессе бурения скважины.

Звукопоглощающие оболочки из пористого материала на внутренней поверхности корпуса и поверх датчиков вибрации позволяют многократно ослабить наружный акустический фон волн-помех, излучаемых работающими механизмами, что повышает точность измерения.

Герметичный материал, которым заполнено свободное пространство в корпусе и зазоры в герметичном выходном разъеме, позволяет исключить помехи, связанные с утечками вследствие конденсата водяных паров на электрических контактах при перепадах температуры окружающей среды.

Из изученной патентной и научно-технической литературы авторам неизвестен источник информации, где было бы описано техническое решение с перечисленной совокупностью отличительных признаков, позволяющих решить поставленную задачу. Это дает основание сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критериям изобретения.

На фиг. 1 представлено устройство; на фиг. 2 электрическая схема подключения к регистрирующему устройству.

Устройство содержит основание 1 с пазом 2 для крепления на вертлюге скважины, цилиндрический корпус 3, герметичный выходной разъем 4, датчики 5 вибрации, связанные с основанием посредством виброгасящих прокладок 6, и расположенные по радиусу под углом 120^o друг к другу, согласующий трансформатор 7, звукопоглащающие оболочки 8, покрывающие внутреннюю поверхность корпуса и датчики, свободное пространство в корпусе заполнено герметизирующим материалом 9, фильтр нижних частот 10.

На фиг. 2 приведена схема параллельного соединения датчиков вибрации 5 и их подключение через фильтр нижних частот (ФНЧ) 10 к первичной обмотке согласующего трансформатора 7, вторичная обмотка которого через герметичный разъем 4 подключена через соединительный кабель к регистрирующему устройству.

Устройство работает следующим образом. Полезные колебания, являющиеся результатом взаимодействия каждого из зубцов бурового долота с разбуриваемой породой, распространяются по стволу бурильной колонны до верхней ее части - вертлюга в виде упругих продольных колебаний. Эти колебания инициируют собственные низкочастотные колебания бурильной колонны, имеющие также характер продольной волны.

Все эти упругие продольные колебания достигают верхней части бурильной колонны - вертлюга и установленное на нем устройство. На вход датчиков вибрации 5 поступает сигнал, имеющий одинаковую амплитуду и фазу, который после преобразования в электрический сигнал суммируется на выходе датчиков. Сигнал-помеха, который вызван работой бурового насоса, раскачиванием буровой вышки и бурильной колонны, приводит к раскачиванию площадки вертлюга, на которой жестко закреплено основание 1. В результате на вход датчиков устройства поступает сигнал, имеющий неодинаковую амплитуду и фазу вплоть до противоположной его полярности. Одномоментная регистрация датчиками вибрации полезного сигнала и помехи позволяет улучшить соотношение сигнал-помеха в пользу полезного сигнала. Далее зарегистрированный сигнал поступает на вход пассивного фильтра нижних частот 10, с помощью которого осуществляется коррекция амплитудно-частотной характеристики датчиков вибрации, отфильтровываются высокочастотные помехи, а через согласующий трансформатор 7 и герметичный выходной разъем 4 - на вход регистрирующей аппаратуры. Герметичный выходной разъем 4 представляет собой стандартный малогабаритный разъем, заключенный в резиновую оболочку.

Использование в предлагаемом устройстве пьезоэлектрических датчиков вибрации с оптимальным затуханием, позволяет ограничиться использованием пассивных фильтров нижних частот, которые снижают влияние резонансной частоты датчиков вибрации и частот, к ней примыкающих, на полезный регистрируемый сигнал.

Основание 1 и корпус 3 в опытных образцах выполнены из облегченного алюминиевого сплава, что позволяет повысить частоту установочного резонанса устройства при размещении его на вертлюге, выбрав ее выше верхней граничной частоты датчиков вибрации.

Данное устройство обладает широкими технологическими и эксплуатационными возможностями, так как оно не требует больших материальных и трудовых затрат при изготовлении, компактно, имеет высокую помехоустойчивость и ударопрочность. Кроме того, полевые испытания подтвердили его стабильную работу при низких температурах до -50^oС, повышение точности измерений и глубины исследования скважин по сравнению с известными на практике устройствами, предназначенными для решения тех же задач.