RU2136839C1

RU2136839C1 - Device for automatic checking of drilling pipe threaded joints for wear

Info

Publication number: RU2136839C1
Application number: RU98106068A
Authority: RU
Inventors: А.А. Растунов; В.Л. Скрипка
Original assignee: Растунов Алексей Александрович; Скрипка Виталий Леонидович
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1998-04-03
Publication date: 1999-09-10

Abstract

FIELD: drilling equipment. SUBSTANCE: device is used for automatic checking for wear of threaded joints of drilling pipes on drilling rigs primarily in oil and gas production industry. Device has master coupling and nipple, generator of acoustic oscillations installed for generating oscillations in body of drilling rod, acoustic sensors for receiving acoustic oscillations fastened on master coupling and nipple which is located for connection respectively with nipple and coupling under check. Interconnected by means of communication lines are units for forming master threshold signal and logic units for comparing signals from acoustic sensors and preset threshold signal. In addition, device is provided with band-pass filters installed in communication line directly after each of acoustic sensors. Threshold signal forming unit has means for adjusting level of threshold signal. Included in communication line after band-pass filter is multiplier with one of its inputs connected with output of band-pass filter. Device can be provided with additional acoustic sensor with its input acoustically linked with generator of acoustic oscillations, and its output is connected through band-pass filter and retarding unit with second input of multiplier. Application of aforesaid embodiment of device enhances reliability of bore-hole drilling process due to less probable emergency occurrences caused by poor condition of threaded joints of drilling string. EFFECT: higher efficiency. 5 cl, 2 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области нефтегазовой промышленности и горного дела, а именно бурению скважин, преимущественно глубоких. The present invention relates to the field of oil and gas industry and mining, namely, drilling wells, mainly deep.

Известны различные устройства для проверки технического состояния бурильных труб, применяемых в буровых установках при бурении скважин различного назначения. При этом бурильные трубы могут проверяться по многим параметрам. Одним из важных параметров бурильных труб является износ резьбового соединения муфты и ниппеля, которыми бурильные трубы соединяются друг с другом. There are various devices for checking the technical condition of drill pipes used in drilling rigs when drilling wells for various purposes. At the same time, drill pipes can be checked in many ways. One of the important parameters of drill pipes is wear of the threaded joint of the coupling and nipple, by which the drill pipes are connected to each other.

От надежности этого соединения зависит прочность колонны бурильных труб, т. е. безаварийная проводка скважины. Износ резьбы в резьбовом соединении ведет к его прослаблению ("разбалтыванию"), что приводит к появлению циклических, динамических нагрузок, вызывающих ускоренное усталостное разрушение резьбового соединения. Кроме того, прослабленное резьбовое соединение ведет к увеличению динамических нагрузок на буровой колонне, что может привести к ее разрыву и даже потере уже пробуренной скважины. The strength of the drill pipe string, i.e., trouble-free well wiring, depends on the reliability of this connection. Wear of the thread in the threaded joint leads to its weakening ("loosening"), which leads to the appearance of cyclic, dynamic loads that cause accelerated fatigue failure of the threaded joint. In addition, a weakened threaded connection leads to an increase in dynamic loads on the drill string, which can lead to its rupture and even loss of an already drilled well.

При бурении взрывных скважин износ резьбы в резьбовом соединении ведет к потере энергии ударного импульса, передаваемого по ставу штанг при ударном или ударно-вращательном бурении, или к потере устойчивости бурового става при вращательном бурении. When drilling blast holes, thread wear in the threaded joint leads to a loss of shock pulse energy transmitted by the rod set during shock or rotary drilling, or to loss of stability of the drill stand during rotary drilling.

Поэтому своевременное обнаружение изношенного резьбового соединения, особенно в буровой колонне при глубоком бурении, имеет очень большое значение для безаварийной производительной работы буровых установок. Therefore, the timely detection of a worn threaded connection, especially in a drill string during deep drilling, is very important for the trouble-free production operation of drilling rigs.

Не менее важно своевременное обнаружение изношенного резьбового соединения и при проверке насосно-компрессорных труб, производить которую можно, например, при использовании на новых скважинах уже эксплуатировавшихся труб. Equally important is the timely detection of a worn threaded connection during the inspection of tubing, which can be done, for example, when using already used pipes in new wells.

Применяемые в настоящее время устройства контроля износа, особенно конических резьбовых соединений, в большинстве применяемых для соединения бурильных труб при глубоком бурении, весьма несовершенны из-за использования ручного мерительного инструмента и отсутствия методик и оборудования для автоматизации процесса контроля. Это не позволяет осуществить полный контроль состояния бурильных труб на буровых, когда приходится производить свинчивание и развинчивание буровой колонны для осуществления спуско-подъемных операций при замене, например, бурового инструмента. Currently used wear control devices, especially tapered threaded joints, most of which are used for connecting drill pipes during deep drilling, are very imperfect due to the use of manual measuring tools and the lack of techniques and equipment to automate the control process. This does not allow full control of the condition of drill pipes at the drilling sites when it is necessary to make and unscrew the drill string to carry out hoisting operations when replacing, for example, a drilling tool.

Вместе с тем выход из строя только одного резьбового соединения в ставе может привести к серьезной аварии. Поэтому, например, в условиях нефтяных промыслов появляется необходимость периодической проверки 100 процентов резьбовых соединений буровых штанг, что возможно практически реализовать только с помощью автоматических устройств контроля. At the same time, failure of only one threaded connection in the stand can lead to a serious accident. Therefore, for example, in the conditions of oil fields, it becomes necessary to periodically check 100 percent of the threaded joints of drill rods, which can only be practically realized using automatic control devices.

Известные из уровня техники устройства для контроля резьбовых соединений бурильных труб (см., например, патент России 2019675 C1, кл. E 21 В 17/00, 15.09.94 г.) предназначены для проверки резьбовых соединений только на прочность при изгибе и не дают возможности проверить износ резьбы в соединениях. Devices for controlling threaded joints of drill pipes known from the prior art (see, for example, Russian Patent 2019675 C1, class E 21 B 17/00, 09/15/94) are designed to test threaded joints only for bending strength and do not give Possibilities to check thread wear in joints.

Изобретение направлено на решение задачи создания устройства для проведения контроля износа резьбового соединения бурильных труб, которое позволило бы полностью автоматизировать процесс проведения проверки, повысить надежность измерений и сократить время проведения таких испытаний. The invention is aimed at solving the problem of creating a device for controlling wear of a threaded joint of drill pipes, which would allow to fully automate the verification process, increase the reliability of measurements and reduce the time for such tests.

Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в том, что повышается надежность процесса проведения скважин за счет уменьшения вероятности возникновения аварийных ситуаций, вызванных состоянием резьбовых соединений буровой колонны. При этом появляется возможность включения процесса контроля составным элементом в полностью автоматизированный процесс бурения. The technical result that can be obtained by implementing the invention is that it increases the reliability of the process of conducting wells by reducing the likelihood of emergencies caused by the condition of the threaded joints of the drill string. At the same time, it becomes possible to include the control process as an integral element in a fully automated drilling process.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство автоматического контроля износа резьбовых соединений бурильных труб включает генератор акустических колебаний, установленный с возможностью возбуждения колебаний в теле бурильной трубы, датчики для приема акустических колебаний, укрепленные на контрольных муфте и ниппеле, которые расположены с возможностью соединения соответственно с ниппелем и муфтой контролируемой трубы, а также соединенные между собой посредством линий связи, по меньшей мере, один блок формирования порогового сигнала, соответствующего сигналу образцового резьбового соединения образцовых муфты и ниппеля, и, по меньшей мере, один логический блок сравнения сигналов от датчиков с заданным пороговым сигналом. The specified technical result is achieved in that the device for automatic control of wear of threaded joints of drill pipes includes an acoustic oscillator installed with the possibility of exciting vibrations in the body of the drill pipe, sensors for receiving acoustic vibrations mounted on a control sleeve and nipple, which are arranged to be connected respectively nipple and coupling of the controlled pipe, as well as at least one forming unit interconnected by means of communication lines a threshold signal corresponding to an exemplary model of a threaded joint of the pin and the sleeve, and at least one logic unit comparing the signals from the sensors with a predetermined threshold signal.

А также за счет того, что блок формирования порогового сигнала содержит уставку для настройки уровня указанного сигнала. And also due to the fact that the threshold signal generating unit contains a setting for adjusting the level of the specified signal.

А также за счет того, что оно имеет полосовые фильтры, установленные в линии связи непосредственно за каждым из акустических датчиков, при этом выход каждого из акустических датчиков связан с входом каждого из полосовых фильтров, включенного в линию связи указанного акустического датчика. And also due to the fact that it has bandpass filters installed in the communication line immediately after each of the acoustic sensors, and the output of each of the acoustic sensors is connected to the input of each of the bandpass filters included in the communication line of the specified acoustic sensor.

А также за счет того, что в линию связи после каждого из полосовых фильтров включен умножитель, один из входов которого соединен с выходом указанного фильтра. And also due to the fact that a multiplier is included in the communication line after each of the band-pass filters, one of the inputs of which is connected to the output of the specified filter.

А также за счет того, что оно снабжено дополнительным акустическим датчиком, вход которого связан с генератором акустических колебаний, а выход - через, по меньшей мере, один полосовой фильтр и блок задержки - со вторым входом каждого из умножителей. And also due to the fact that it is equipped with an additional acoustic sensor, the input of which is connected to the generator of acoustic vibrations, and the output is through at least one band-pass filter and the delay unit with the second input of each of the multipliers.

А также за счет того, что второй вход умножителя связан через регулируемый блок задержки с выходом каждого из полосовых фильтров, установленных в соответствующей линии связи. And also due to the fact that the second input of the multiplier is connected through an adjustable delay unit to the output of each of the bandpass filters installed in the corresponding communication line.

В указанную совокупность признаков включены все существенные признаки, каждый из которых необходим, а все вместе достаточны для достижения заявленного технического результата. The indicated set of features includes all essential features, each of which is necessary, and all together are sufficient to achieve the claimed technical result.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена блок-схема первого варианта устройства для автоматического контроля износа резьбовых соединений бурильных штанг, на фиг. 2 блок - схема второго варианта. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a block diagram of a first embodiment of a device for automatically controlling wear of threaded joints of drill rods, FIG. 2 block - scheme of the second option.

Устройство по первому варианту включает в себя контрольную муфту 1 и контрольный ниппель 2, которые выполнены и размещены с возможностью соединения с ниппелем 3 и муфтой 4 соответственно контролируемой бурильной трубы 5. Муфта 1 и ниппель 2 снабжены датчиками 6 регистрации сигнала. Акустический сигнал формируется генератором акустических колебаний 7. Для формирования порогового сигнала служит блок формирования порогового сигнала 8, соединенный посредством линии связи с логическим блоком 9 сравнения сигналов. The device according to the first embodiment includes a control sleeve 1 and a control nipple 2, which are made and placed with the possibility of connection with the nipple 3 and the sleeve 4 of the respectively controlled drill pipe 5. The sleeve 1 and the nipple 2 are equipped with sensors 6 signal registration. An acoustic signal is generated by an acoustic oscillation generator 7. To generate a threshold signal, a threshold signal generating unit 8 is used, which is connected via a communication line to a signal comparing logic unit 9.

Генератор акустических колебаний 7 размещен с возможностью возбуждения акустических колебаний в теле бурильной трубы 5 и в ее резьбовых соединениях. При этом генератор акустических колебаний 7 может иметь свой датчик 6 регистрации сигнала. Для выделения определенной полосы частот акустического сигнала, снятого датчиками 6 регистрации сигнала, наиболее чувствительной к изменению акустического сопротивления, обусловленного зазорами в резьбовом соединении, служат полосовые фильтры 10, каждый из которых включен последовательно своему датчику 6 регистрации сигнала. The generator of acoustic vibrations 7 is placed with the possibility of exciting acoustic vibrations in the body of the drill pipe 5 and in its threaded joints. In this case, the generator of acoustic vibrations 7 may have its own sensor 6 for recording a signal. To isolate a certain frequency band of the acoustic signal recorded by the sensors 6 of the registration signal, the most sensitive to changes in acoustic resistance caused by gaps in the threaded connection, are bandpass filters 10, each of which is connected in series with its sensor 6 registration signal.

Канал генератора акустических колебаний 7 снабжен линией задержки с блоком задержки 11, обеспечивающей одновременное поступление сигнала с датчиков 6 регистрации сигнала, размещенных на генераторе акустических колебаний 7 и на контрольных муфте 1 и ниппеле 2, на второй вход умножителя 12. Усреднение умноженного сигнала производит интегратор 13, включенный в линию связи последовательно с умножителем 12. The channel of the acoustic oscillation generator 7 is equipped with a delay line with a delay unit 11, which provides a simultaneous signal from the signal recording sensors 6 located on the acoustic oscillation generator 7 and on the control coupling 1 and nipple 2, to the second input of the multiplier 12. The integrator 13 is averaged by the integrator included in the communication line in series with the multiplier 12.

Логический блок 9 сравнения сигналов - поступающего от интегратора 13 и порогового сигнала, закладываемого в логический блок 9, включен последовательно с интегратором 13. Периодическая поднастройка порогового сигнала производится блоком формирования порогового сигнала 8. The logic unit 9 comparing the signals coming from the integrator 13 and the threshold signal embedded in the logic unit 9 is connected in series with the integrator 13. Periodic adjustment of the threshold signal is performed by the threshold signal generating unit 8.

Устройство по второму варианту, представленному на фиг. 2, отличается от вышеописанного варианта тем, что в нем отсутствует канал генератора акустических колебаний с датчиком 6 регистрации сигнала и полосовым фильтром 10. При этом блок задержки 14 выполнен регулируемым. The device according to the second embodiment shown in FIG. 2, differs from the above-described variant in that it does not have an acoustic oscillator channel with a signal recording sensor 6 and a bandpass filter 10. Moreover, the delay unit 14 is adjustable.

Устройство по первому варианту (фиг. 1) работает следующим образом. The device according to the first embodiment (Fig. 1) works as follows.

Перед свинчиванием става бурильных труб или после его развинчивания каждую бурильную трубу 5 устанавливают на контрольный стенд с приспособлением для автоматического соединения контролируемой бурильной трубы с контрольными муфтой и ниппелем (на чертеже не показаны). Контрольные муфта 1 и ниппель 2 каждые имеют свой датчик 6, воспринимающий акустические колебания и преобразующий их в соответствующий аналоговый электрический сигнал. Before screwing the drill pipe stand or after unscrewing it, each drill pipe 5 is mounted on a test bench with a device for automatically connecting the controlled drill pipe to the test sleeve and nipple (not shown in the drawing). The control clutch 1 and nipple 2 each have their own sensor 6, perceiving acoustic vibrations and converting them into a corresponding analog electrical signal.

Затем генератором акустических колебаний 7 в теле бурильной трубы 5 возбуждают колебания, которые проходят через резьбовые соединения и воспринимаются датчиками 6. Датчик 6, воспринимающий акустические колебания, размещен также и на генераторе акустических колебаний 7. Then, the generator of acoustic vibrations 7 in the body of the drill pipe 5 excite vibrations that pass through the threaded connections and are sensed by the sensors 6. The sensor 6, perceiving acoustic vibrations, is also located on the generator of acoustic vibrations 7.

Сигнал, полученный датчиком 6, размещенным на генераторе акустических колебаний 7, и сигнал, полученный датчиком 6, размещенным на контрольных муфте 1 и ниппеле 2, обработанные соответствующим образом путем прохождения их через полосовые фильтры 10, поступают через умножитель 12 на интегратор 13, в котором происходит усреднение умноженного сигнала за время корреляции. The signal received by the sensor 6, placed on the acoustic oscillation generator 7, and the signal received by the sensor 6, placed on the control sleeve 1 and nipple 2, processed accordingly by passing them through the bandpass filters 10, are fed through a multiplier 12 to the integrator 13, in which the multiplied signal is averaged over the correlation time.

В блоке сравнения 9, который может быть выполнен в виде решающего логического устройства, производят сравнение усредненного сигнала с пороговым сигналом, соответствующим образцовому резьбовому соединению. По результатам сравнения указанных сигналов делают вывод о пригодности контролируемого резьбового соединения для дальнейшей эксплуатации. In the comparison unit 9, which can be made in the form of a decisive logic device, averaged signal is compared with a threshold signal corresponding to an exemplary threaded connection. Based on the results of the comparison of these signals, it is concluded that the controlled threaded connection is suitable for further operation.

Возможен вариант устройства (фиг. 2), в котором на генераторе акустических колебаний 7 отсутствует датчик 6, воспринимающий акустические колебания. В этом случае на умножитель 12 поступает разветвленный и задержанный блоком задержки 14 в одной из своих ветвей сигнал с датчика 6, размещенного на контрольных муфте 1 или ниппеле 2, т. е. перед интегратором 13 получают автокорреляционную функцию сигнала. На интеграторе 13 происходит усреднение умноженного сигнала за время корреляции. A possible variant of the device (Fig. 2), in which there is no sensor 6 perceiving acoustic vibrations on the acoustic oscillation generator 7. In this case, the multiplier 12 receives a branched signal delayed by the delay unit 14 in one of its branches from the sensor 6 located on the control sleeve 1 or nipple 2, i.e., an autocorrelation function of the signal is received in front of the integrator 13. On the integrator 13, averaging of the multiplied signal during the correlation time occurs.

В блоке сравнения 9, который может быть выполнен в виде решающего логического устройства, производят вычисление времени интегрирования, при котором перемноженный и усредненный сигнал достигает порогового значения и это время сравнивают с аналогичным временем образцового резьбового соединения. На основании сравнения времен делают вывод о пригодности контролируемого резьбового соединения для дальнейшей эксплуатации. In the comparison unit 9, which can be made in the form of a decisive logic device, the integration time is calculated at which the multiplied and averaged signal reaches a threshold value and this time is compared with the same time of an exemplary threaded connection. Based on a comparison of the times, they conclude that the controlled threaded connection is suitable for further operation.

В качестве критерия сравнения в обоих вариантах могут быть использованы корреляционные или автокорреляционные функции акустических колебаний, прошедших образцовое резьбовое соединение и контролируемое. Сравниваются величины этих функций или их параметры. As a comparison criterion, in both cases, correlation or autocorrelation functions of acoustic vibrations that have passed through an exemplary threaded joint and controlled can be used. The values of these functions or their parameters are compared.

Возможно получение, обработку полученных датчиками 6 сигналов с обоих резьбовых соединений бурильной трубы 5 и сравнение их с пороговым сигналом производить последовательно или одновременно для каждого резьбового соединения бурильной трубы 5. It is possible to receive, process the signals received by the sensors 6 from both threaded connections of the drill pipe 5 and compare them with the threshold signal in series or simultaneously for each threaded connection of the drill pipe 5.

В случае, когда получение, обработку полученных датчиками 6 сигналов с обоих резьбовых соединений бурильной трубы 5 и сравнение их с пороговым сигналом осуществляют последовательно для каждого резьбового соединения бурильной трубы 5, необходим по меньшей мере один блок сравнения 9. In the case when receiving, processing the signals received by the sensors 6 from both threaded connections of the drill pipe 5 and comparing them with a threshold signal is carried out sequentially for each threaded connection of the drill pipe 5, at least one comparison unit 9 is required.

В случае, когда получение, обработку полученных датчиками 6 сигналов с обоих резьбовых соединений бурильной трубы 5 и сравнение их с пороговым сигналом осуществляют одновременно, необходимым является наличие, по меньшей мере, двух блоков сравнения 9, работающих одновременно. In the case when receiving, processing the signals received by the sensors 6 from both threaded joints of the drill pipe 5 and comparing them with a threshold signal is carried out simultaneously, it is necessary to have at least two comparison units 9 working simultaneously.

Формирование порогового сигнала производят путем пропускания акустических колебаний через бурильную трубу 5 с образцовым резьбовым соединением и статистической обработки многократно снятого датчиками 6 сигнала. В качестве образцового резьбового соединения может быть использовано соединение, изготовленное и прошедшее контроль по стандартным методикам в заводских условиях и признанное годным к эксплуатации, но не эксплуатировавшееся. The formation of the threshold signal is produced by passing acoustic vibrations through the drill pipe 5 with an exemplary threaded connection and statistical processing of the signal repeatedly recorded by the sensors 6. As an exemplary threaded connection, a connection made and tested according to standard methods in the factory and recognized as fit for use, but not operated, may be used.

В качестве образцового может быть использовано также и специально подготовленное резьбовое соединение, возможно и бывшее в эксплуатации, с поэлементной проверкой параметров резьбы, например, с использованием калибров и установленной степенью износа. As an exemplary one, a specially prepared threaded connection can also be used, possibly used, with an element-by-element verification of the parameters of the thread, for example, using gauges and a specified degree of wear.

Пороговый сигнал в качестве уставки заводится в блок формирования порогового сигнала 8 и на него настраивается блок сравнения 9. The threshold signal as a setpoint is entered into the block for generating the threshold signal 8 and the comparison unit 9 is adjusted to it.

Claims

1. Device for automatically controlling wear of threaded joints of drill pipes, including an acoustic oscillator installed with the possibility of exciting vibrations in the body of the drill pipe, sensors for receiving acoustic vibrations mounted on a control sleeve and nipple, which are arranged to connect respectively to the nipple and sleeve controlled rod, as well as interconnected by means of communication lines at least one unit for generating a threshold signal corresponding to the signal an exemplary threaded connection of an exemplary coupling and nipple, and at least one logical unit for comparing signals from sensors with a given threshold signal.

2. The device according to claim 1, characterized in that the threshold signal generating unit contains a setting for adjusting the level of the specified signal.

3. The device according to claim 1, characterized in that it has bandpass filters installed in the communication line immediately behind each of the acoustic sensors, while the output of each of the acoustic sensors is connected to the input of each of the bandpass filters included in the communication line of the specified acoustic sensor .

4. The device according to claim 3, characterized in that a multiplier is included in the communication line after each of the bandpass filters, one of the inputs of which is connected to the output of the specified filter.

5. The device according to claim 4, characterized in that it is equipped with an additional acoustic sensor, the input of which is connected to an acoustic oscillation generator, and the output through at least one band-pass filter and a delay unit with a second input of each of the multipliers.

6. The device according to claim 4, characterized in that the second input of the multiplier is connected through an adjustable delay unit to the output of each of the bandpass filters installed in the corresponding communication line.