RU2106490C1 - Device for recording vibration of drilling string in drilling wells - Google Patents
Device for recording vibration of drilling string in drilling wells Download PDFInfo
- Publication number
- RU2106490C1 RU2106490C1 RU96122660A RU96122660A RU2106490C1 RU 2106490 C1 RU2106490 C1 RU 2106490C1 RU 96122660 A RU96122660 A RU 96122660A RU 96122660 A RU96122660 A RU 96122660A RU 2106490 C1 RU2106490 C1 RU 2106490C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensors
- vibration
- base
- drilling
- vibration sensors
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
- Earth Drilling (AREA)
Abstract
Description
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. The device relates to techniques for measuring longitudinal vibrations propagating along the drill string during drilling and is intended for geophysical work in vertical seismic profiling (VSPB), as well as for geological and technological research.
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. A known method of recording vibration of drill pipes at the wellhead and a sensor for its implementation [1]. The sensor for detecting vibration of drill pipes at the wellhead includes a housing, a sensing element for acquiring an information signal from a rotating pipe, made in the form of an inductor concentrically located relative to the drill pipe, and an energy supply source made in the form of an inductor located concentrically outside the sensing element.
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. The disadvantage of this device is the lack of reliable protection against interference and a significant impact on its stable operation of the climatic and temperature factors. The device has insufficient accuracy and depth of research.
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]. It is also known a device for monitoring the drilling process, [2] containing two channels: measuring and control, including vibration sensors and converters of electrical signals from sensors for transmitting them via an optical fiber communication line and a conventional two-wire line, as well as functional units of recording equipment [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. The disadvantage of this device is its low noise immunity, since it takes into account and attenuates only the interference associated with the operation of the mud pump, as well as the interference associated with the transmission of the measured signal via a fiber optic communication line. This device still registers the entire spectrum of vibro-acoustic signals, including numerous interference occurring on the swivel. The disadvantages include the difficulty in organizing the power supply of the semiconductor circuit of the swivel converter, and the limited temperature range of its use.
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. The closest in technical essence to the prototype is a device for vibro-acoustic research in the upper part of the drill string on a swivel [3] - a prototype. The device contains three vibration sensors - an accelerometer for measuring longitudinal, transverse and torsional vibrations located in a cylindrical body, a mounting base, a measuring board with a preliminary amplifier for amplifying and matching signals from vibration sensors, an output connector and a connecting cable connecting the device to the recording equipment.
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 -50oС, имеющих место на практике. В устройстве не предусмотрена акустическая защита, существенно также влияние наводок и утечек, связанных с недостаточной герметичностью исполнения.The disadvantage of this device is also the lack of noise immunity. This device is intended for conducting geological and technological research and is used to register the entire spectrum of vibro-acoustic vibrations that occur on a swivel when collecting geological and technological information during well drilling. This fact alone makes it unsuitable for use in VSPB. Due to the high level of interference recorded by the device, the accuracy and depth of the study are reduced. Arranging the power of the preamplifier through additional wires to the recording equipment reduces the noise immunity and electromagnetic fields, complicates the device. The use of semiconductor circuits in the preamplifier reduces its reliable operation at extreme negative temperatures to -50 o C, which take place in practice. The device does not provide acoustic protection, the influence of interference and leaks associated with insufficient tightness of execution is also significant.
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. A useful signal to be recorded is the longitudinal vibrations associated with the impact of the drill bit on the rock being drilled, and the natural longitudinal vibrations of the drill string caused by this effect. In practice, the beneficial longitudinal vibrations that occur during the drilling of a well are superimposed by numerous obstacles associated with the swinging of the derrick and drill string, while the drilling mechanisms (diesels, pumps) operate, there is a powerful background of electromagnetic interference waves associated with the operation of power equipment, etc. .P. All this interference is many times higher than the level of the useful signal to be registered. The useful signal during VSPB should be recorded in its purest form, since it serves as a reference signal, with which further work is performed in the specified methodology and which is necessary for assessing geological and technological information.
Задачей изобретения является повышение помехоустойчивости, глубины исследований, а также расширение рабочего температурного диапазона в область отрицательных температур, технологических и эксплуатационных возможностей. The objective of the invention is to increase noise immunity, research depth, as well as expanding the operating temperature range in the region of negative temperatures, technological and operational capabilities.
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 360o/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.The problem is solved as follows. In the device for recording vibration of the drill string containing the base, rigidly connected with the swivel, a cylindrical body, with vibration sensors and an electric signal amplifier located therein, a recording device, at least three vibration sensors are installed, located radially at an angle to each other, defined according to the formula 360 o / n (n = 3, 4, 5 ...), where n is the number of sensors connected together in parallel and connected to the base by means of anti-vibration pads, and the amplifier of electrical signals It is made in the form of a matching transformer, the primary winding of which is connected to vibration sensors through a low-pass filter, and the secondary winding is connected to a recording device through a sealed connector, while the inner surface of the housing and sensors are covered with sound-absorbing shells, and the free volume in the housing is filled with sealing material.
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 360o/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.All spurious vibrations are interference, in contrast to useful longitudinal vibrations, if they are evaluated at different points in the plane perpendicular to the axis of the drill string, they have unequal amplitude up to its reverse polarity and phase, which allows them to be summed by vibration sensors located in the device’s radius at an angle of alpha to each other, equal to 360 o / n (n = 3, 4, 5 ...), where n is the number of sensors in the device. The minimum number of sensors performing the summation can be at least three, an increase in their number enhances the achieved positive effect.
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 -50oС, критических для работы электронных полупроводниковых схем усилителя прототипа.The parallel connection of vibration sensors to each other increases the total capacity of their piezoelectric transducers. This makes it possible to use a step-down transformer, a passive element that is used as a matching device, as an amplifier for electric signals. This eliminates the need for stable power supply, in additional wires for power supply over a long line, which simplifies the device, increases its noise immunity, and also allows you to expand the operating temperature range to low temperatures to -50 o C, critical for the operation of electronic semiconductor amplifier circuits prototype.
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:
fр = 3fв.гр
где fв.гр - верхняя граничная частота рабочего диапазона датчика.Vibration dampers are used to fasten sensors to the base of the device and are mechanical filters that attenuate the effect of high-frequency interference on the useful recorded signal. In this case, the resonant frequency of the sensor - vibration damper installation is chosen equal to:
f p = 3f in. gr
where f in. gr - the upper cutoff frequency of the operating range of the sensor.
Кроме того, виброгасящая прокладка служит дополнительной механической развязкой датчиков вибрации от воздействия деформаций корпуса, основания устройства, имеющих место в процессе бурения скважины. In addition, the vibration damping pad serves as an additional mechanical isolation of vibration sensors from the effects of deformations of the body, the base of the device, which occur during the drilling of the well.
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. Sound-absorbing shells made of porous material on the inner surface of the housing and on top of vibration sensors can repeatedly weaken the external acoustic background of the interference waves emitted by operating mechanisms, which increases the measurement accuracy.
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. The sealed material, which fills the free space in the case and the gaps in the sealed outlet connector, eliminates the interference caused by leaks due to condensation of water vapor on the electrical contacts during ambient temperature changes.
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. From the studied patent and scientific and technical literature, the authors do not know the source of information where a technical solution with the above set of distinctive features that would solve the problem would be described. This gives reason to conclude that the claimed object meets the criteria of the invention.
На фиг. 1 представлено устройство; на фиг. 2 электрическая схема подключения к регистрирующему устройству. In FIG. 1 shows a device; in FIG. 2 electric circuit of connection to the recording device.
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 120o 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.The device comprises a base 1 with a groove 2 for fastening on a swivel of a well, a cylindrical body 3, a sealed
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. In FIG. 2 shows a diagram of the parallel connection of
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. The device operates as follows. Useful vibrations resulting from the interaction of each of the teeth of the drill bit with the rock being drilled propagate along the drill stem to its upper part — the swivel in the form of elastic longitudinal vibrations. These vibrations initiate intrinsic low-frequency vibrations of the drill string, which also have the character of a longitudinal wave.
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. All these elastic longitudinal vibrations reach the top of the drill string - the swivel and the device installed on it. The input of the
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. The use in the proposed device of piezoelectric vibration sensors with optimal attenuation allows you to limit yourself to the use of passive low-pass filters, which reduce the influence of the resonant frequency of the vibration sensors and frequencies adjacent to it on the useful recorded signal.
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. The base 1 and body 3 in the prototypes are made of lightweight aluminum alloy, which allows to increase the frequency of the installation resonance of the device when placing it on a swivel, choosing it above the upper cutoff frequency of the vibration sensors.
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 -50oС, повышение точности измерений и глубины исследования скважин по сравнению с известными на практике устройствами, предназначенными для решения тех же задач.This device has wide technological and operational capabilities, since it does not require large material and labor costs in the manufacture, compact, has high noise immunity and impact resistance. In addition, field tests have confirmed its stable operation at low temperatures up to -50 o C, increasing the accuracy of measurements and the depth of the study wells in comparison with devices known in practice, designed to solve the same problems.
Claims (1)
α = 360o/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.A device for recording vibration of a drill string while drilling a well, comprising a base rigidly connected to the swivel, a cylindrical body with vibration sensors and an electric signal amplifier located therein, a recording device, characterized in that at least three vibration sensors are located in the device, located by radius at an angle to each other, determined by the formula
α = 360 o / n, (n = 3, 4, 5, ...),
where n is the number of sensors interconnected in parallel and connected to the base by means of vibration dampers,
and the electric signal amplifier is made in the form of a matching transformer, the primary winding of which is connected to vibration sensors through a low-pass filter, and the secondary through a sealed connector to a recording device, while the inner surface of the housing and sensors are covered with sound-absorbing shells, and the free volume in the housing is filled with sealing material.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96122660A RU2106490C1 (en) | 1996-11-28 | 1996-11-28 | Device for recording vibration of drilling string in drilling wells |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96122660A RU2106490C1 (en) | 1996-11-28 | 1996-11-28 | Device for recording vibration of drilling string in drilling wells |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2106490C1 true RU2106490C1 (en) | 1998-03-10 |
| RU96122660A RU96122660A (en) | 1999-01-27 |
Family
ID=20187636
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU96122660A RU2106490C1 (en) | 1996-11-28 | 1996-11-28 | Device for recording vibration of drilling string in drilling wells |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2106490C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ298425B6 (en) * | 2006-07-03 | 2007-09-26 | Ceské vysoké ucení technické v Praze Fakulta elektrotechnická | Apparatus for continuous measurement of oscillations of string-type strain gauge pick-ups with two-wire connection |
-
1996
- 1996-11-28 RU RU96122660A patent/RU2106490C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 3. Рукавицын В.Н. и др. Устройство для виброакустических исследований в верхней части бурильной колонны на вертлюге", отчет по теме "Исследование возможности создания системы измерения геоакустической информации в процессе бурения скважины на базе микроЭВМ, гос.рег. N 01.84.0003834, с.105-110. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ298425B6 (en) * | 2006-07-03 | 2007-09-26 | Ceské vysoké ucení technické v Praze Fakulta elektrotechnická | Apparatus for continuous measurement of oscillations of string-type strain gauge pick-ups with two-wire connection |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7913806B2 (en) | Enclosures for containing transducers and electronics on a downhole tool | |
| CA2192276C (en) | Transducer for sonic logging-while-drilling | |
| US5033032A (en) | Air-gap hydrophone | |
| AU632653B2 (en) | Method of acoustic well logging | |
| BRPI0215420B1 (en) | acoustic recording tool, and recording method | |
| CN100456035C (en) | Blast source based dam nondestructive detecting system | |
| CA2438732A1 (en) | Active reduction of tool borne noise in a sonic logging tool | |
| US11650346B2 (en) | Downhole acoustic measurement | |
| US4394754A (en) | Apparatus for low frequency torsional shear wave logging | |
| WO1998041885A1 (en) | Underground acoustic wave transmitter, receiver, transmitting/receiving method, and underground exploration using this | |
| US6208585B1 (en) | Acoustic LWD tool having receiver calibration capabilities | |
| RU2106490C1 (en) | Device for recording vibration of drilling string in drilling wells | |
| WO2020151235A1 (en) | Underground acoustic system | |
| RU2682269C2 (en) | Downhole device for acoustic quality control of cementing wells | |
| US20130188452A1 (en) | Assessing stress strain and fluid pressure in strata surrounding a borehole based on borehole casing resonance | |
| CN109814152B (en) | Infrasound sensor and implementation method thereof | |
| SU1012170A1 (en) | Device for determination of water transfer in borehole clearance | |
| Tochikawa et al. | Acoustic telemetry: the new MWD system | |
| RU2480583C1 (en) | Telemetric system of bottomhole parameters monitoring | |
| US4369506A (en) | Method and apparatus for shear wave logging | |
| RU2808607C1 (en) | System of multichannel acoustic monitoring of condition of cement stone in annual space of well | |
| CA2470487C (en) | Apparatus, method and system for digitally transmitting acoustic pulse gun signals | |
| SU672589A1 (en) | Device for well noise-logging | |
| KR20200134082A (en) | Method and apparatus for transmitting data based on frequency modulation through a load pipe for mining and construction, oil drilling | |
| SU1698864A1 (en) | Acoustic well logging device using lamb waves |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20071129 |