Концепция создания дополнительных геофизических модулей для контроля технологических параметров и решения геологических задач (стр. 6 из 7)

Назначение наддолотного модуля, устройство и работа модуля

Модуль (рис.3.10.) предназначен для измерения технологических и геофизических параметров непосредственно около долота, в процессе бурения гидравлическими забойными двигателями и передачи информации материнской телесистеме, с использованием короткого скоростного беспроводного электромагнитного канала связи.

Для оптимизации процесса бурения, как было показано выше, необходимо измерять следующие забойные параметры: частоту вращения вала турбобура, осевую нагрузку на долото, направление бурения ствола скважины, уровень вибраций и естественную гамма-активность.

Несмотря на разнообразие измерительных датчиков, позволяющих решать перечисленные задачи, требования получения достаточной точности измерений, обеспечивающей надежное управление технологическим процессом, эксплуатационная надежность и удобство в работе в условиях скважины являются основными при выборе тех или иных конструкций.

Рис.3.10. Общий вид наддолотного модуля.

Рис.3.11. Детали наддолотного модуля.

Информация, измеренная наддолотным модулем 6 (см. рисунок 3.12.), передается по короткому скоростному беспроводному электромагнитному каналу связи 5 на приемно-обрабатывающий блок 4 материнской телесистемы 3. Телесистема наряду с данными, измеренными ею самой, передает на поверхность по беспроводному электромагнитному каналу связи 2 также и данные, полученные наддолотным модулем, в виде дополнительных каналов. На поверхности информация принимается и обрабатывается наземным приемно-обрабатывающим комплексом 1, программное обеспечение которого модифицируется с учетом дополнительных каналов наддолотного модуля.

Рис.3.12. Структурная схема телесистемы с наддолотным модулем.

Рис.3.13. Структурная схема наддолотного модуля.

Рис.3.14. Компоновка наддолотного модуля в составе бурильной колонны.

Датчик дифференциального давления

Для регистрации данного параметра используют тензометрические датчики избыточного давления. Тензопреобразователи предназначены для пропорционального непрерывного преобразования давления в электрический выходной сигнал.

Принцип действия основан на использовании тензоэффекта в полупроводниках. Чувствительным элементом служит сапфировая мембрана с кремниевыми тензорезисторами. Сапфирная мембрана по всей плоскости жестко соединена с металлической мембраной, образуя с ней двухслойную мембрану. Двухслойная мембрана жестко закреплена в корпусе тензопреобразователя. Во внутреннюю полость корпуса подается измеряемое давление. Под действием измеряемого давления двухслойная мембрана деформируется, вызывая изменение сопротивления тензорезисторов, собранных в мостовую схему.

Измерение дифференциального давления требуется при турбинном бурении для контроля давления в трубах и затрубье и при измерении расхода бурового раствора методом переменного перепада давления с использованием сужающих устройств.

Датчик оборотов вала забойного двигателя

Датчик оборотов предназначен для непрерывного контроля частоты вращения вала турбобура в процессе бурения скважин.

При использовании беспроводного канала для измерения частоты вращения вала турбобура применяют бесконтактные преобразователи. Связь вала турбобура с чувствительным элементом датчика частоты вращения индуктивная или магнитная.

При использовании проводного или беспроводного канала в качестве датчиков частоты вращения вала турбобура широко применяют конструкции электромашин генераторов переменного тока.

Статор с обмотками закрепляется неподвижно, а ротор с постоянными полюсными магнитами соединяется с валом турбобура. Частота вращения долота определяется как N=nf/30, где f—частота вырабатываемого генератором тока; п—число пар полюсов.

Недостаток таких датчиков — механическое сочленение вала генератора с валом турбобура, а также относительная сложность конструкции генератора, что снижает надежность датчика при работе в условиях сильных вибраций.

Более перспективен датчик частоты вращения с бесконтактной связью элемента вращения с чувствительным элементом. Как правило, датчик работает следующим образом. На конце вала турбобура жестко закрепляется немагнитный стакан, в стенку которого заформовываются симметрично расположенные якоря. В стакан свободно вставляется монолитный стержень из резины, внутри которого размещается ферромагнитный сердечник с катушкой с герметичными выводами схемы измерений.

Более совершенным является датчик оборотов долота, основанный на следующем принципе. На вал турбобура напрессовывается немагнитный стакан с встроенным постоянным магнитом. Аппаратурный контейнер из немагнитного материала с герконом или магнитомодуляционным датчиком, располагаемый на расстоянии до 3×10-2 м, надежно срабатывает при прохождении магнита, обеспечивая формирование импульсов, частота следования которых прямо пропорциональна частоте вращения долота.

Наличие на скважинах указателей оборотов турбобура используемых в (НДМ) дает возможность бурильщикам непрерывно непосредственно корректировать режим турбинного бурения скважин, добиваясь при этом оптимальных нагрузок турбобуров, и соответственно, повышать технико-экономические показатели турбинного бурения.

По предварительным данным применение НДМ дает заметное увеличение механической скорости бурения и проходки на долото, что соответственно сокращает расход долот, талевого каната и времени, затрачиваемого на бурение скважин.

Для измерения частоты вращения вала турбобура используют бесконтактный преобразователь, состоящий из феррозонда и магнита, закрепленного на валу турбобура.

Датчик осевой нагрузки

Имея с забоя данные о частоте вращения долота и истинной осевой нагрузке на долото, можно поддерживать режим таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная механическая скорость проходки, следить за износом долота, не допуская критических режимов его работы

В процессе бурения скважины осевая нагрузка на долото создается, в основном, весом нижней части колонны труб. Ее величина при бурении шарошечными долотами достигает 300—400 кН; в отдельных случаях требуются и большие нагрузки—до 500 кН.

Глубинный измеритель осевой нагрузки должен быть составным звеном компоновки бурильного инструмента, чтобы воспринимать усилия, передаваемые к долоту. Могут быть использованы принципы измерения осевой нагрузки с помощью упругого элемента или с применением гидравлического преобразователя.

В первом случае упругий элемент воспринимает всю (или часть) осевую нагрузку. Деформация элемента, пропорциональная усилию, преобразуется в электрическую величину посредством (тензодатчиков, индуктивных, магнитоупругих или емкостных) преобразователей малых перемещений. В магнитоупругих датчиках используется явление изменения магнитной проницаемости ферромагнитного материала при механической деформации. В гидравлическом преобразователе с помощью системы поршень—цилиндр измеряемое усилие трансформируется в давление жидкости, которое, в свою очередь, измеряется манометрическим датчиком. Применение гидравлических преобразователей связано с нарушением жесткости низа колонны труб в месте установки преобразователя, что не всегда допустимо. Для измерителя осевой нагрузки любого типа большое значение имеет место его установки в колонне труб. При установке датчика непосредственно у долота (между долотом и валом шпинделя) будет измеряться истинная нагрузка, передаваемая на долото. Однако в этом случае усложняется связь датчика с системой передачи сигналов, поэтому для измерения осевой нагрузки чувствительные элементы устанавливают над электробуром или турбобуром (в зависимости от способа бурения). В общем случае на измерительное устройство, установленное в колонне труб, кроме осевой нагрузки действуют усилия от вращающего момента и изгибающие усилия. В связи с этим по конструктивному исполнению датчики осевой нагрузки можно подразделить на две категории: датчики с механическим разделением осевой нагрузки, действующей на упругий элемент от двух других усилий, и датчики, у которых упругий элемент воспринимает все три усилия. Во втором случае упрощается конструкция датчика, что очень важно для глубинной аппаратуры, и поэтому данный вариант измерителя был принят для практического осуществления.

Датчик осевой нагрузки (рис.3.15) имеет упругий элемент 2 с присоединительными резьбами на концах и с утонченной средней частью lб, на торцовых поверхностях которой крепятся измерители перемещения 1, 4.

В рассматриваемом датчике применены индуктивные преобразователи перемещения. Магнитопровод измерителя с обмотками крепится на кронштейне 5 к верхнему торцу базового участка, а сердечник датчика—к нижнему торцу. Кронштейн изготовлен из того же материала, что и упругий элемент; тем самым достигается компенсация погрешности при температурных деформациях элемента. Упругая деформация элемента приводит к изменению зазора магнитной цепи датчика. Чтобы исключить влияние изгибающих усилий на измерение осевой нагрузки, устанавливают три одинаковых датчика, разнесенных по окружности на 2p/3 рад. В этом случае при деформации изгиба суммарный зазор трех датчиков не изменяется. Для защиты преобразователей перемещения от механических повреждений применяется защитный стакан 6. Полость между стаканом и упругим элементом заполнена маслом, на которое передается давление промывочной жидкости через лубрикатор 8, состоящий из цилиндра, поршня и пружины. Стакан уплотняется на упругом элементе с помощью резиновых колец 3. Соединительные провода от преобразователей перемещения выводятся через канал 7 и через уплотняющие вводы подсоединяются к контейнеру с телеметрической аппаратурой. Кабель электробура 9 проходит свободно в центральном канале упругого элемента. На концы упругого элемента навинчиваются переводники, посредством которых он соединяется с бурильной колонной.